• Главная
  •  > 
  • Диски и файлы
  •  > 
  • Что такое трехмерные реалистические изображения. Способы достижения реализма в трехмерной графике

Что такое трехмерные реалистические изображения. Способы достижения реализма в трехмерной графике

К 3D-искусству можно отнести разновидность граффити, трёхмерную компьютерную графику, реалистичные рисунки, которые создают иллюзию трехмерной сцены.

Художники всегда стремились к правдоподобному представлению природы и окружающих вещей. В наш современный век этого легко достичь при помощи передовых устройств. Тем не менее, есть нечто очаровывающее и особенно привлекающее во многих 3D-изображениях, созданных рукой человека. Ведь техника 3D-рисунка требует большого мастерства и терпения, не говоря уже о таланте.

Предлагаем полюбоваться творениями разных мастеров, чьи работы выполнены в реалистичном 3D-жанре.

1. Очки.

Простой, элегантный и причудливый 3D-рисунок, который выглядит реалистично.

2. «Зал Гигантов», Палаццо Те, Мантуя, Италия

Иллюзионистские фрески 16-го века, выполненные Джулио Романо, относят к истокам 3D-искусства.

3. Карандашный 3D-рисунок Нагаи Хидеюки

Художник создает трёхмерную иллюзию, используя лишь альбом и цветные карандаши.

4. Музей 3D-картин в городе Чиангмай, Таиланд

Существует целый музей, посвященный 3D-искусству, в Таиланде. Его залы наполнены большими фресками, которые выглядят совершенно реально.

5. Кока кола - иллюзия

Часто вдохновение для 3D-искусства берёт начало в популярных объектах из нашей повседневной жизни. Классический вариант - бутылка Колы.

6. Компьютерная графика: Девушка

Кто бы мог подумать, что этой девушки не существует?

7. Колонны коринфского ордера

Прекрасный карандашный 3D-рисунок двух коринфских колонн.

8. Реалистичный водопад в городе Двур Кралове, Чехия

Часть городского парка в Чешской Республике превратили в иллюзию прекрасного водопада.

9. Глобус

Нередко 3D-искусство используют в маркетинге. Эта картина земного шара призывает людей на борьбу с бедностью.

10. Игорь Таритас

Молодой художник создает картины, используя основы гиперреализма. Это полотно излучает глубину реального мира, словно при желании мы можем выйти на сцену.

11. Дейви Джонс от Джерри Грошке

Классический персонаж из «Пиратов Карибского моря», созданный 3D-художником компьютерной графики.

12. Казухико Накамура

Японский 3D-художник, который создаёт креативные стимпанк фотографии с помощью программного обеспечения.

13. Курт Веннер: Дикое родео в Калгари, Канада

Один из самых известных современных 3D-художников, Курт Веннер, изобразил вымышленное родео в канадском городе.

14. Леон Кир, Рубен Понциа, Ремко ван Шайк и Питер Вестеринг

Четыре художники объединились, чтобы создать эту невероятную иллюзию армии Лего.

15. Лодзь, Польша

Бассейн возле оживлённого торгового центра в городе Лодзь, Польша. Надеюсь, никто в него не прыгнул.

16. Рынок

Красивый 3D-натюрморт, нарисованный на асфальте возле овощного рынка. Он дополняет атмосферу идеальной изысканностью.

17. МТО, Ренн, Франция

Уличный художник МТО создал серию масштабных 3D-фресок в Ренн, Франция. В его настенной живописи фигурируют великаны, пытающиеся проникнуть в дома людей. Картины и потрясают, и ужасают.

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.

Фотореалистичное изображение 3D сцены - это специальное изображение сцены, в котором учитываются тени, отбрасываемые объектами, а также такие явления как отражение и преломление света.

В программе имеется три различных механизма создания фотореалистичных изображений. Первый из них использует приложение POV-Ray , второй – встроенную технологию NVIDIA OptiX , третий использует Embree - ядро трассировки лучей, разработанное Intel .

Выбор и настройка качества изображения

Создать удачное фотореалистичное изображение с первой же попытки удаётся редко. Обычно требуется создать несколько тестовых фотореалистичных изображений, которые помогают скорректировать положение камеры, яркость и положение источников света, а также проверить правильность анимации. После этого проводится финальная визуализация.

Но создание фотореалистичного изображения может занимать различное время, в зависимости от сложности сцены и параметров, определяющих качество изображения. Знание этих параметров с одной стороны, помогает избежать излишних затрат времени на проведение пробной визуализации, а с другой стороны, помогает добиться более высокого качества финального изображения.

Существуют различные параметры, позволяющие менять качество получаемого фотореалистичного изображения.

Качество сетки . Данный параметр задаётся в параметрах документа (команда ST: Параметры документа), и кроме фотореализма, влияет ещё и на качество отображения объектов в 3D окне.

Кроме того настройку качества изображения можно вызвать при помощи панели Вид .

Чем выше данный параметр, тем дольше ведётся экспорт сцены в формат POV, тем больше оперативной памяти используется POV-Ray и тем дольше POV-Ray ведёт предварительную подготовку сцены перед визуализацией (Parsing). В связи с этим, при проведении предварительной визуализации качество сетки желательно снизить, возможно, даже до минимума. При проведении финальной визуализации лучше установить максимальное качество сетки.

1. Фотореалистичный вид

Данный механизм для генерации фотореалистичных изображений основан на технологии NVIDIA OptiX. Она предназначена для генерации фотореалистичных изображений высокого качества с учётом освещения, а также таких свойств материала, как прозрачность, коэффициент преломления, свойства поверхности и т.д.

Механизм позволяет получать фотореалистичное изображение непосредственно из среды T-FLEX CAD, обеспечивая удобный интерфейс управления параметрами сцены, качеством генерации изображения, а также возможность сохранения результатов генерации в файл и печати. С помощью данного механизма можно получать фотореалистичное изображение не только с трёхмерных моделей, но и с импортированных 3D изображений.

Технология NVIDEA OptiX используется при создании фотореалистичных видео при записи анимации разборки в команде “3VX: Разборка ”

Третий механизм для генерации фотореалистичных изображений использует Embree - ядро трассировки лучей, разработанное Intel.

Для своих расчётов Embree использует центральный процессор и отличается высокой производительностью и качеством изображения.

Интерфейс для работы с NVIDIA Optix идентичен интерфейсу работы с Embree, поэтому они вместе будут описаны ниже.

Работа с командой

Для вызова опции используется команда:

Пиктограмма

Лента

Инструменты → Оформление → Фотореализм → Фотореалистичный вид (GPU NVIDIA)

Клавиатура

Текстовое меню

<3RV>

Сервис > Фотореалистичный вид (GPU NVIDIA)

Пиктограмма

Лента

Инструменты → Оформление → Фотореализм → Фотореалистичный вид (CPU)

Клавиатура

Текстовое меню

Сервис > Фотореалистичный вид (CPU)

После активации команды появляется новое окно, в котором генерируется изображение.

Качество создаваемого изображения во многом зависит от количества итераций. Итерация – вычисление цвета пикселей изображения. Количество итераций зависит от размера изображения, плотности сетки и количества объектов.

Количество итераций отображается в нижней части экрана.

В зависимость от мощности компьютера, сложности модели и установленного качества изображения процесс генерирования изображения может занимать от нескольких минут до нескольких часов.

На инструментальной панели отображаются опции для работы с командой.

Печать изображения . Позволяет вывести получаемое изображение на печать.

Сохранить изображение . Позволяет экспортировать полученное изображение в файлы растровых форматов *.bmp, *.jpg, *gif, *tiff, *tif, *.png, *.tga. Для файла можно задать имя и указать, где он будет храниться.

Параметры вида . Позволяет задавать параметры генерации изображения. Более подробное описание опции дано ниже.

Зафиксировать параметры вида . Позволяет зафиксировать направление взгляда и масштаб изображения. Вращение модели становится невозможным.

Перезапустить генерацию . Запускает генерацию фотореалистичного изображения заново, при этом происходит сброс текущих результатов.

Приостановить генерацию . Позволяет временно прекратить генерацию изображения. При этом высвобождаются затрачиваемые на этот процесс ресурсы компьютера, в связи с чем повышается производительность.

Выбор качества генерируемого изображения . В выпадающем списке можно выбрать одно из четырёх значений качества изображения.

Низкое и среднее качество применяются для черновых вариантов изображений. При выборе такого качества система автоматически высчитывает минимальное количество итерации, необходимое для получения изображений с определённым уровнем «шумов».

Для получения наиболее реалистичных изображений нужно выбрать высокое или максимальное качество. При максимальном качестве количество итераций не ограничено.

Выбор текущей активной камеры . Позволяет выбрать одну из присутствующих в 3D сцене камер. Изображение будет создаваться в соответствии с положением выбранной камеры.

В дополнение к вышеперечисленным опциям, важную роль в создании реалистичных изображений играет настройка « Качество изображения ». Её можно изменить с помощью выпадающего списка в окне ST: Параметры документа на закладке « 3D ».

Чем выше качество, тем выше плотность сетки. Для получения наиболее реалистичных изображений рекомендуется устанавливать качество не ниже чем « Повышенное ».

Данный параметр особенно важен при наличии в модели скругленных поверхностей.

Наглядное различие между изображениями разного качества.

Очень грубое

Стандартное

Очень высокое

Процесс создания фотореалистичных изображений имеет высокие требования к системным характеристикам. Более подробную информацию о них можно найти на нашем сайте или в главе «Быстрое начало ».

Генерации изображения может быть остановлена в любой момент. Получившийся результат можно сохранить на компьютере с помощью опции или сразу же направить на печать опцией .

Результате выполнения операции:

Фотореалистичное изображение

Файлы с примерами создания фотореалистичного изображения находятся в библиотеке « Примеры 3D 15\Сервисные инструменты\Материалы и фотореализм ».

Для удобства работы можно одновременно отображать окно фотореалистичного вида и окно модели на экране. Для этого необходимо воспользоваться командой « WO: Открыть новое окно документа ».

В появившемся диалоговом окне из выпадающего списка необходимо выбрать пункт « Фотореалистичный вид ». С помощью четырёх выпадающих списков можно настроить удобное расположение окон на экране.

Параметры изображения

Вписать в окно . Опция активна только при установленном флаге « ». При включённой опции изображение заданного размера полностью отображается на экране.

Фиксированный размер изображения . При активации позволяет задать размер создаваемого изображения. При этом включается опция инструментальной панели « Зафиксировать параметры вида » . Размер изображения задаётся в пикселях. Изображение указанного размера будет создано целиком не зависимо от того, помещается оно на экране или нет. Для получения изображений высокого качества рекомендуется выставлять как можно больший фиксированный размер изображения.

Качество изображения . Данная опция повторяет список настроек с главной панели. Единственным отличием является возможность задать количество итераций вручную, выбрав качество изображения « пользовательское » и введя в поле необходимое число.

Количество отражений луча . Параметр важен при генерации преломлений и отражений.

Настройки фона и текстуры полностью совпадают с одноименными стандартными параметрами 3D вида. Подробнее о них можно прочитать в главе « Работа с окном 3D вида ».

Коэффициент яркости окружения . Позволяет настаивать яркость сцены, регулируя количество света попадающее на объекты.

Оптимальные параметры для создания фотореалистичного изображения установлены по умолчанию.

Примеры фотореалистичных изображений

NVIDIA Optix:

Embree:

2. Реалистичное изображение

Данный механизм использует технологию POV-Ray, программу применяющую метод трассировки луча. Условия генерации изображения прописываются в T-FLEX CAD в текстовом виде. Приложение POV-Ray включено в поставку. Кроме того, приложение может быть скачано с соответствующего сайта.

Изображение в T-FLEX CAD Фотореалистичное изображение (POV-Ray)

Фотореалистичное изображение получается методом трассировки луча (ray-tracing). Для этого используется приложение POV-Ray, включаемое в поставку.

Следует отметить, что приложение POV-Ray требует отдельной инсталляции. Для этого на установочном компакт–диске нужно выбрать файл « povwin36.exe » из директории «POV-Ray». Установка POV-Ray осуществляется на английском языке. Пользователям, не знакомым с английским языком, рекомендуется нажимать все утверждающие кнопки ([ Next ] , [ Yes ] или [ I Agree ]) в последовательно появляющихся окнах диалога.

Для получения фотореалистичного изображения 3D сцена, используя установки текущего 3D окна, экспортируется в формат POV. Далее для генерации результирующего изображения автоматически запускается приложение POV-Ray. По окончании генерации результирующее изображение можно просмотреть в окне просмотра и при желании сохранить в файл.

При экспорте в POV-Ray текстуры накладываются на объекты так же, как они отображаются в 3D окне T-FLEX CAD. Кроме того, совместно с POV-Ray можно использовать текстуры всех форматов, поддерживаемых POV-Ray (gif, tga, iff, ppm, pgm, png, jpeg, tiff, sys).

Работа POV-Ray осуществляется параллельно другим системам, т.е. после запуска данного приложения можно продолжить работу в T-FLEX CAD. Правда, в зависимости от сложности генерирующегося изображения, POV-Ray может забирать больше ресурсов, и тогда работа в T-FLEX CAD будет замедляться.

Работа с командой

Для создания фотореалистичного изображения используется команда “ 3VY: Создать реалистичное изображение ”. Данная команда доступна в том случае, когда 3D окно активно. Перед вызовом команды необходимо установить 3D сцену в желаемое положение, установить необходимый материал операций, источники света (можно использовать источники света на камере). При создании фотореалистичного изображения рекомендуется пользоваться перспективной проекцией.

Вызов команды осуществляется следующим способом:

Пиктограмма

Лента

Инструменты → Оформление → Фотореализм → Реалистичное изображение (POV-ray)

Клавиатура

Текстовое меню

<3VY >

Сервис > Реалистичное изображение (POV-ray)

T-FLEX CAD сохраняет информацию о местонахождении приложения POV-Ray и при каждом обращении к нему проверяет его наличие.

В случае, когда POV-Ray вызывается впервые, а также если система не может найти данное приложение, T-FLEX CAD запрашивает путь к нему. В этом случае на экран выводится окно диалога, с помощью которого необходимо задать путь к приложению POV-Ray. Обычно приложение находится по следующему пути: « Program Files\POV-Ray for Windows v3.6\bin ». Отсутствие соответствующей директории говорит о том, что приложение не установлено (см. параграф “ Основные положения ”).

После вызова команды на экране появляется окно диалога.

Ширина и Высота . Задают ширину и высоту создаваемой картинки фотореалистичного изображения в пикселях. По умолчанию устанавливается размер текущего 3D окна.

Сглаживание цвета . Отвечает за сглаживание цвета генерируемого изображения. Значение данного параметра должно быть больше 0.

Чем меньше это значение, тем мягче будет выглядеть переход от одного цвета к другому, но в этом случае визуализация (т.е. расчёт изображения) будет проходить дольше. Значение данного параметра можно выбрать из списка или задать самостоятельно.

В POV-Ray для описания 3D сцены используется специальный язык. С его помощью есть возможность задать для поверхности материала, а также для внутренней части материала, большое количество различных характеристик. Поэтому в T-FLEX CAD у материала есть специальные инструкции, определяющие то, как будет выглядеть материал при визуализации в POV-Ray (команда «3MT : Редактировать материалы », кнопка [ Материал POV ]). При установке флажка « Использовать подстановки материалов », эти инструкции будут передаваться в POV-Ray. Все материалы, входящие в поставку системы, включают специальные инструкции для POV-Ray. Кроме материалов, в POV будут экспортироваться и дополнительные инструкции для источника света (см. " Параметры источника света ", параметр " Инструкции POV ").

Если флажок « Использовать подстановки материалов » отключён, в POV-Ray будут переданы инструкции, автоматически сгенерированные T-FLEX CAD, на основе таких свойств материала как цвет и отражательная способность.

В 3D окне к камере по умолчанию привязаны один или несколько источников света. Данные источники света ориентированы относительно камеры и перемещаются вместе с ней (см. описание "Параметры 3D вида "). Если флажок « Экспортировать источники света на камере » включен, данные источники света передаются в POV-Ray.

Сохранить результат в . Здесь отображается путь к временно создаваемому выходному файлу, который будет использовать POV-Ray для сохранения результирующего изображения в формате bmp, а T-FLEX CAD для его считывания. Поэтому, если приложение T-FLEX CAD будет закрыто раньше, чем получен результат, то изображение из этого файла можно просмотреть позже, используя любую другую программу для просмотра изображений.

Все временно создаваемые файлы в процессе генерации изображения создаются в папке, которая указана в системной переменной TEMP. После создания изображения все файлы, кроме выходного, удаляются. Сам выходной файл хранится в этой папке до создания нового фотореалистичного изображения.

Информация для пользователей, имеющих опыт работы в POV-Ray

Параметры источников света . При создании фотореалистичного изображение с использованием обычных источников света, тени объектов получаются очень чёткие, так как источники света имеют бесконечно малую величину. В реальности, это бывает очень редко, поэтому тени, чаще всего, бывают сглаженными. Применение рассеянных источников света позволяет сделать тени более сглаженными и повысить качество и реалистичность изображения. В рассеянных источниках света вместо одного точечного источника света используются несколько сдвинутых друг относительно друга точечных источников. Чем больше они сдвинуты, тем менее чёткой будет тень. Чем больше количество точечных источников имеет рассеянный источник – тем выше размытость тени и тем больше времени нужно на визуализацию.

Обычный свет Рассеянный свет

Рассеянный источник света в POV-Ray представляет собой множество точечных источников света. Эти источники света размещаются в виде прямоугольника, ориентированного некоторым образом относительно указанного центра. Количество источников света вдоль каждой из сторон прямоугольника может быть разное. Чтобы созданный в T-FLEX CAD источник света стал рассеянным источником света в POV-Ray, в свойствах источника света в поле «Инструкции POV» необходимо записать следующее:

area_light <0.035, 0, 0>, <0, 0.035, 0.035>, 5, 5 adaptive 1 jitter

Здесь в треугольных скобках заданы координаты противоположных углов прямоугольника относительно исходной точки (точки, в которой расположен рассеянный источник света). «5, 5» - это количество источников света в каждом направлении. При этом общее количество точечных источников света составляет 5х5=25. «adaptive 1 jitter» - дополнительные параметры, включающие оптимизацию расчёта теней.

Сглаживание (Antialiasing) . При обычной визуализации на границах объектов могут возникать явления ступенчатости, прерывистости тонких линий. Сглаживание путём проведения дополнительных расчётов может уменьшить негативное влияние данных явлений.

Ступенчатость на границах Сглаживание включено

Сглаживание основано на визуализации частей сцены с увеличенным разрешением. При этом визуализация сцены замедляется. Поэтому на этапе пробной визуализации включать сглаживание не следует. Но для финальной визуализации включить сглаживание желательно.

Рассеянное освещение (Radiosity) . При обычной визуализации учитывается прямое освещение, при котором освещены только те участки объектов, на которые непосредственно попадает свет от источника света. Однако в реальном мире свет исходит не только от источников. Он ещё и отражается от объектов, освященных прямым светом. В POV-Ray есть возможность включить механизм расчёта рассеянного освещения, который в некоторых случаях помогает улучшить реалистичность изображения.

Обычное освещение Рассеянное освещение

В связи с большим количеством дополнительных расчётов, использование механизма рассеянного освещения может привести к существенному замедлению визуализации. Поэтому использование рассеянного освещения при тестовой визуализации следует проводить только в низких разрешениях.

Чтобы включить механизм рассеянного освещения, следует в поле « Включить строки » окна « Создание фотореалистичного изображения » записать следующее:

global_settings {

radiosity { count 500 minimum_reuse 0.018 brightness 0.8}}

Значение приведённых инструкций, а также дополнительные сведения, касающиеся механизма рассеянного освещения, следует искать в документации приложения POV-Ray.

Разрешение изображения . Данный параметр существенно влияет на время, затрачиваемое на визуализацию. При неизменном качестве изображения, скорость визуализации прямо пропорциональна площади результирующего изображения. При тестовой визуализации можно ограничиться небольшими разрешениями, например, 320*240.

Дополнительный INI файл : При запуске приложения POV-Ray создается файл с расширением ini, куда записываются экспортируемые установки. При необходимости можно задать другие установки и даже переопределить генерируемые в T-FLEX CAD, задавая их в этом файле. В этом случае в поле данного диалога указывается имя этого файла.

Включить строки : В поле данного диалога можно вставить строки, являющиеся выражениями, записанными в формате POV, которые будут вставлены в экспортируемый файл.

Пояснение: При запуске команды создается файл в формате POV, который имеет следующую структуру:

● <генерируемые переменные>

● <включаемые строки>

● <экспортированная 3D сцена>.

Генерируемые переменные

В экспортируемый файл включаются следующие переменные:

● fAspectRatio – ширина / высота экрана. При переопределении установок Width и Height в дополнительном INI файле нужно переопределить и эту переменную, используя <включаемые строки>.

● vSceneMin и vSceneMax – вершины куба ограничивающие 3D сцену в 3D пространстве.

● vSceneCenter – центр куба.

● fSceneSize – длина диагонали куба.

● vCameraPos – положение камеры.

● vCamera2Scene – вектор из vCameraPos до центра куба.

● fCamera2Scene – длина вектора vCamera2Scene.

● cBackColor – цвет фона.

Эти переменные могут быть переопределены или использованы во <включаемых строках>.

Например:

#declare cBackColor <0.1, 0.1, 0.1>

distance fCamera2Scene / 2

rgb <0, 0, 1>

fog_offset vSceneMin . z

fog_alt (vSceneMax . z - vSceneMin . z) / 4

up <0, 0, 1>

переопределяет цвет фона и задает синий туман, зависящий от положения и размера 3D – сцены.

После задания всех необходимых параметров для создания фотореалистичного изображения нужно нажать на кнопку [ OK ]. Иногда, при запуске POV-Ray, может возникнуть окно диалога " ", для запуска приложения в этом случае достаточно нажать на кнопку [ OK ].

При создании анимации с включенным фотореализмом в команде « : Анимировать модель » желательно дождаться начала визуализации первого кадра в POV-Ray, чтобы убедиться, что окно « About POV-Ray(tm) for Windows » не появилось и не мешает созданию анимации.

После запуска POV-Ray управление передаётся к T-FLEX CAD (т.е. можно продолжить работу с ним). По окончании генерации изображения или в случае ее прерывания на экран выдается сообщение:

Если необходимо просмотреть результирующее изображение, то нужно нажать на кнопку [ Да ]. В результате открывается окно просмотра, изображение которого можно сохранить в файл. Если просмотр и сохранение результирующего изображения не требуется, то следует нажать на кнопку [ Нет ]. В этом случае, результат фотореалистичного изображения, какое-то время (до создания следующего фотореалистичного изображения) будет храниться в системном каталоге TEMP .

До завершения генерации изображения можно запустить POV-Ray ещё раз (количество таких запусков не ограниченно). Тогда T-FLEX CAD, выполняя экспорт в POV, при окончании процесса генерации предыдущего изображения, произведёт новый запуск приложения POV-Ray. Таким образом, реализуется очередь задач на генерацию изображений, т.е. новая задача запускается после завершения генерации предыдущей.

Примеры фотореалистичных изображений моделей T-FLEX CAD

Прототипы для фотореализма

В стандартной инсталляции существуют прототипы, специально предназначенные для быстрого создания фотореалистичного изображения. Для создания документов на основе данных прототипов необходимо вызвать команду « : Создать новый документ на основе файла прототипа », и на закладке « Фотореализм » выбрать один из двух прототипов: « Комната » или « Облёт вокруг объекта ».

В каждом из этих прототипов заранее создано несколько источников света, камера и система координат для привязки 3D фрагмента. Положение этих элементов можно изменить по своему усмотрению, перемещая соответствующие элементы в окне чертежа. Также в 2D окне есть небольшая инструкция по использованию прототипа.

Обычно работа с этими прототипами ведётся следующим образом: создаётся новый документ на основе одного из прототипа. В этот документ в качестве 3D фрагмента или 3D изображения вставляется 3D модель (в подходящем масштабе), фотореалистичное изображение которой необходимо получить. Далее проводится несколько пробных визуализаций для выявления подходящего расположения источников света и камеры. В конце проводится финальная визуализация.

О настройках, которые необходимо задавать для пробной и финальной визуализации, будет сказано ниже. Но прежде, необходимо сказать об отличительных особенностях каждого из прототипов.

Прототип « Комната » предназначен для создания статичного изображения. В этом прототипе сцена представляет собой «комнату», два источника света и камеру. Кроме этого, для удобства заранее создана система координат для привязки 3D фрагмента. По умолчанию, две стены и потолок «комнаты» не видны, но их можно сделать видимыми, если в 2D окне снять флажок «Скрыть потолок».

Прототип « Облёт вокруг объекта » предназначен как для создания статичного изображения, так и для создания фотореалистичной анимации, в которой камера движется вокруг объекта. Сцена представляет собой большую круглую платформу, три источника света и камеру. В сцене заранее создана система координат для привязки 3D фрагмента. Кроме того, положение камеры связано с выражением и зависит от кадра, в котором находится сцена. 2D окне необходимо задать продолжительность анимации (то есть время, за которое камера облетит вокруг объекта и вернется на исходное место). Анимацию сцены необходимо проводить по переменной «frame», учитывая, что количество кадров в секунду равно 25.

Пример использования прототипа « Облёт вокруг объекта » находится в библиотеке “Примеры 3D 15”, в папке «Сервисные инструменты\ Фотореалистичное изображение\Облёт вокруг объекта». Открыв файл « Сцена на основе прототипа.grb », необходимо в 3D окне выбрать камеру « Камера ». Далее надо использовать команду «AN: Анимировать модель » и провести анимацию по переменной «frame» от 0 до 250 с шагом 1.

Большинство пользователей прекрасно осведомлены в том, с помощью какого из комплектующих ПК мы получаем изображения на мониторе – естественно это видеоадаптер. Но вот не многие знают тонкости и нюансы технологий повышения реалистичности трёхмерного изображения, ведь в наше время стремительного развития 3D-графики и появления на свет множества реалистичных компьютерных игр – мало просто вывести хорошее изображение на монитор, нужно его сделать максимально реалистичным.

Мы рассмотрим наиболее распространённые технологии, которые уже устоялись и активно применяются производителями видеокарт. Данный материал рассчитан на опытных пользователей и полагает более подробное внедрение в технологии, чем просто поверхностных обзор.

Технология MIP mapping

Начнём, пожалуй, с наиболее часто применяемой технологии, которая называется MIP mapping . Основное назначение данной технологии – улучшение качественности текстурирования 3D-объектов.

Чтобы изображение выглядело более реалистичным, разработчикам необходимо учитывать, такое важное понятия, как глубина сцены. Реализм, в таком случае, предполагает качественное размытие по мере удаления изображения, а также, изменение цветовых оттенков. Поэтому для построения любых видов поверхностей, используется множество различных текстур, что и даёт возможность регулировать данное явление. Если необходимо, к примеру, построить изображение дороги, которое стремится к горизонту, то в случае применение одной текстуры, о реализме можно просто-напросто забыть, так как на заднем плане появится сплошной цвет или мерцание.


Как раз таки, для реализации этого множества текстур и используется технология Mip mapping , она дает возможность использования текстур с различной степенью детализации, что добавляет свои плюсы, к примеру, реалистичности дороге, которая описана выше.

Принцип действия заключается в определении для каждого пикселя изображения, соответствующей ему Mip-карте, ну а далее идёт выборка по одному текселу (пикселю карту), который присваивается пикселю. Вот такая сложная система, текстурирования изображения, но именно благодаря этой системе, мы чувствуем гораздо больший реализм в играх и 3D-фильмах.

Технологии фильтрации

Эти технологии, как правило, используются совместно с технологией Mip mapping. Технологии фильтрации необходимы для того, чтобы исправить различные артефакты текстурирования. Если говорить просто, то смысл фильтрации заключается в том, чтобы рассчитать цвет объёкта по соседним пикселям.

Фильтрация бывает разных видов:

Билинейная. Когда объект находится в движении, могут быть заметны различного рода перетаскивания пикселей, что в свою очередь вызывает эффект мерцания. Для снижения данного эффекта, используется билинейная фильтрация, принцип работы которой заключается в выборке четырех соседних пикселей, для отображения поверхности текущего.

Трилинейная. Принцип работы трилинейной фильтрации схож с билинейной, но уже более продвинутый, здесь для опеределения цвета текущего пикселя, берется среднее значение 8 пикселей. Трилинейная фильтрация решает множество ошибок связанных с текстурированием обктов и ошибочным расчётом глубины сцены.

Анизатропная фильтрация . Наиболее продвинутый тип фильтрации и на сегодняшний день используется во всех новых видеоадаптерах . С помощью анизатропной фильтрации один пиксель рассчитывается по 8-32 текселам (текстурным пикселям) .

Anti-aliasing (Технология сглаживания)

Суть технологии Anti-aliasing, заключается в устранении зазубренности краев объектов, проще говоря – в сглаживании изображения.


Принцип действия наиболее распространённой технологии сглаживания, заключается в создании плавного перехода, между границей и цветом фона. Цвет точки, которые лежит на границе объектов, определяется средним значением граничных точек.

Итак, с горем пополам были рассмотрены основные технологии повышения реалистичности трёхмерного изображения. Возможно, далеко не всё было понятно, но в любом случае такая углублённая информация не будет лишней.

Построение трехмерного изображения

С ростом вычислительной мощности и доступности элементов памяти, с появлением качественных графических терминалов и устройств вывода была разработана большая группа алгоритмов и программных решений, которые позволяют формировать на экране изображение, представляющее некоторую объемную сцену. Первые такие решения были предназначены для задач архитектурного и машиностроительного проектирования.

При формировании трехмерного изображения (статического или динамического) его построение рассматривается в пределах некоторого пространства координат, которое называется сценой . Сцена подразумевает работу в объемном, трехмерном мире - поэтому и направление получило название трехмерной (3-Dimensional, 3D) графики.

На сцене размещаются отдельные объекты, составленные из геометрических объемных тел и участков сложных поверхностей (чаще всего для построения применяются так называемые B-сплайны ). Для формирования изображения и выполнения дальнейших операций поверхности разбиваются на треугольники - минимальные плоские фигуры - и в дальнейшем обрабатываются именно как набор треугольников.

На следующем этапе “мировые ” координаты узлов сетки пересчитывают с помощью матричных преобразований в координаты видовые , т.е. зависящие от точки зрения на сцену. Положение точки просмотра , как правило, называют положением камеры .

Рабочее пространство системы подготовки
трехмерной графики Blender (пример с сайта
http://www.blender.org )

После формирования каркаса (“проволочной сетки”) выполняется закрашивание - придание поверхностям объектов некоторых свойств. Свойства поверхности в первую очередь определяются ее световыми характеристиками: светимостью, отражающей способностью, поглощающей способностью и рассеивающей способностью. Этот набор характеристик позволяет определить материал, поверхность которого моделируется (металл, пластик, стекло и т.п.). Прозрачные и полупрозрачные материалы обладают еще рядом характеристик.

Как правило, во время выполнения этой процедуры выполняется и отсечение невидимых поверхностей . Существует много методов выполнения такого отсечения, но самым популярным стал метод
Z-буфера , когда создается массив чисел, обозначающий “глубину” - расстояние от точки на экране до первой непрозрачной точки. Следующие точки поверхности будут обработаны только тогда, когда их глубина будет меньше, и тогда координата Z уменьшится. Мощность этого метода напрямую зависит от максимально возможного значения удаленности точки сцены от экрана, т.е. от количества битов на точку в буфере.

Расчет реалистичного изображения. Выполнение указанных операций позволяет создать так называемые твердотельные модели объектов, но реалистичным это изображение не будет. Для формирования реалистичного изображения на сцене размещаются источники света и выполняется расчет освещенности каждой точки видимых поверхностей.

Для придания объектам реалистичности поверхность объектов “обтягивается” текстурой - изображением (или процедурой, его формирующей), определяющим нюансы внешнего вида . Процедура называется “наложением текстуры”. Во время наложения текстуры применяются методы растяжения и сглаживания - фильтрация . Например, упоминаемая в описании видеокарт анизотропная фильтрация, не зависящая от направления преобразования текстуры.

После определения всех параметров необходимо выполнить процедуру формирования изображения, т.е. расчет цвета точек на экране. Процедура обсчета называется рендерингом .Во время выполнения такого расчета необходимо определить свет, попадающий на каждую точку модели, с учетом того, что он может отражаться, что поверхность может закрыть другие участки от этого источника и т.п.

Для расчета освещенности применяется два основных метода. Первый - это метод обратной трассировки луча . При этом методе рассчитывается траектория тех лучей, которые в итоге попадают в пиксели экрана - по обратному ходу. Расчет ведется отдельно по каждому из цветовых каналов, поскольку свет разного спектра ведет себя по-разному на разных поверхностях.

Второй метод - метод излучательности - предусматривает расчет интегральной светимости всех участков, попадающих в кадр, и обмен светом между ними.

На полученном изображении учитываются заданные характеристики камеры, т.е. средства просмотра.

Таким образом, в результате большого количества вычислений появляется возможность создавать изображения, трудноотличимые от фотографий. Для уменьшения количества вычислений стараются уменьшить число объектов и там, где это возможно, заменить расчет фотографией; например, при формировании фона изображения.

Твердотельная модель и итоговый результат обсчета модели
(пример с сайта http://www.blender.org )

Анимация и виртуальная реальность

Следующим шагом в развитии технологий трехмерной реалистичной графики стали возможности ее анимации - движения и покадрового изменения сцены. Первоначально с таким объемом расчетов справлялись только суперкомпьютеры, и именно они использовались для создания первых трехмерных анимационных роликов.

Позже были разработаны специально предназначенные для обсчета и формирования изображений аппаратные средства - 3D-акселераторы . Это позволило в упрощенной форме выполнять такое формирование в реальном масштабе времени, что и используется в современных компьютерных играх. Фактически, сейчас даже обычные видеокарты включают в себя такие средства и являются своеобразными мини-компьютерами узкого назначения.

При создании игр, съемках фильмов, разработке тренажеров, в задачах моделирования и проектирования различных объектов у задачи формирования реалистичного изображения появляется еще один существенный аспект - моделирование не просто движения и изменения объектов, а моделирование их поведения, соответствующего физическим принципам окружающего мира.

Такое направление, с учетом применения всевозможных аппаратных средств передачи воздействий внешнего мира и повышения эффекта присутствия, получило название виртуальной реальности .

Для воплощения такой реалистичности создаются специальные методы расчета параметров и преобразования объектов - изменения прозрачности воды от ее движения, расчет поведения и внешнего вида огня, взрывов, столкновения объектов и т.д. Такие расчеты носят достаточно сложный характер, и для их реализации в современных программах предложен целый ряд методов.

Один из них - это обработка и использование шейдеров - процедур, изменяющих освещенность (или точное положение ) в ключевых точках по некоторому алгоритму . Такая обработка позволяет создавать эффекты “светящегося облака”, “взрыва”, повысить реалистичность сложных объектов и т.д.

Появились и стандартизируются интерфейсы работы с “физической” составляющей формирования изображения - что позволяет повысить скорость и точность таких расчетов, а значит, и реалистичность создаваемой модели мира.

Трехмерная графика - одно из самых зрелищных и коммерчески успешных направлений развития информационных технологий, часто ее называют одним из основных стимулов развития аппаратного обеспечения. Средства трехмерной графики активно применяются в архитектуре, машиностроении, в научных работах, при съемке кинофильмов, в компьютерных играх, в обучении.

Примеры программных продуктов

Maya, 3DStudio, Blender

Тема очень привлекательна для учащихся любого возраста и возникает на всех этапах изучения курса информатики. Привлекательность для учащихся объясняется большой творческой составляющей в практической работе, наглядным результатом, а также широкой прикладной направленностью темы. Знания и умения в этой области затребованы практически во всех отраслях деятельности человека.

В основной школе рассматривают два вида графики: растровую и векторную. Обсуждаются вопросы отличия одного вида от другого, как следствие - положительные стороны и недостатки. Сферы применения этих видов графики позволят ввести названия конкретных программных продуктов, позволяющих обрабатывать тот или иной вид графики. Поэтому материалы по темам: растровая графика, цветовые модели, векторная графика - будут востребованы в большей мере в основной школе. В старшей школе эта тема дополняется рассмотрением особенностей научной графики и возможностями трехмерной графики. Поэтому будут актуальны темы: фотореалистичные изображения, моделирование физического мира, сжатие и хранение графических и потоковых данных.

Большую часть времени занимают практические работы подготовки и обработки графических изображений с использованием растровых и векторных графических редакторов. В основной школе это, как правило, Adobe Photoshop, CorelDraw и/или MacromediaFlach. Различие между изучением тех или иных программных пакетов в основной и старшей школе в большей мере проявляется не в содержании, а в формах работы. В основной школе это практическая (лабораторная) работа, в результате которой учащимися осваивается программный продукт. В старшей школе основной формой работы становится индивидуальный практикум или проект, где главной составляющей является содержание поставленной задачи, а используемые для ее решения программные продукты остаются лишь инструментом.

В билетах для основной и старшей школы содержатся вопросы, относящиеся как к теоретическим основам компьютерной графики, так и к практическим навыкам обработки графических изображений. Такие части темы, как подсчет информационного объема графических изображений и особенности кодирования графики, присутствуют в контрольных измерительных материалах единого государственного экзамена.