Технологии создания трехмерного изображения. Технологии повышения реалистичности трехмерного изображения Наиболее реалистичное изображение удается создать при помощи

Трехмерная графика сегодня прочно вошла в нашу жизнь, что порой мы даже не обращаем внимания на ее проявления.

Разглядывая рекламный щит с изображением интерьера комнаты или рекламный ролик о мороженном, наблюдая за кадрами остросюжетного фильма, мы и не догадываемся, что за всем этим стоит кропотливая работа мастера 3d графики.

Трехмерная графика это

3D графика (трехмерная графика) - это особый вид компьютерной графики - комплекс методов и инструментов, применяемых для создания изображений 3д-объектов (трехмерных объектов).

3д-изображение не сложно отличить от двумерного, так как оно включает создание геометрической проекции 3d-модели сцены на плоскость, при помощи специализированных программных продуктов. Получаемая модель может быть объектом из реальной действительности, например модель дома, автомобиля, кометы, или же быть абсолютно абстрактной. Процесс построения такой трехмерной модели получил название и направлен, прежде всего, на создание визуального объемного образа моделируемого объекта.

Сегодня на основе трехмерной графики можно создать высокоточную копию реального объекта, создать нечто новое, воплотить в жизнь самые нереальные дизайнерские задумки.

3d технологии графики и технологии 3d печати проникли во многие сферы человеческой деятельности, и приносят колоссальную прибыль.

Трехмерные изображения ежедневно бомбардируют нас на телевидении, в кино, при работе с компьютером и в 3D играх, с рекламных щитов, наглядно представляя всю силу и достижения 3д-графики.

Достижения современного 3д графики используются в следующих отраслях

1. Кинематограф и мультипликация - создание трехмерных персонажей и реалистичных спецэффектов. Создание компьютерных игр - разработка 3d-персонажей, виртуальной реальности окружения, 3д-объектов для игр.
2. Реклама - возможности 3d графики позволяют выгодно представить товар рынку, при помощи трехмерной графики можно создать иллюзию кристально-белоснежной рубашки или аппетитного фруктового мороженного с шоколадной стружкой и т.д. При этом в реального рекламируемый товар может иметь немало недостатков, которые легко скрываются за красивыми и качественными изображениями.
3. Дизайн интерьеров - проектирование и разработка дизайна интерьера также не обходятся сегодня без трехмерной графики. 3d технологии дают возможность создать реалистичные 3д-макеты мебели (дивана, кресла, стула, комода и т.д.), точно повторяя геометрию объекта и создавая имитацию материала. При помощи трехмерной графики можно создать ролик, демонстрирующий все этажи проектируемого здания, который возможно еще даже не начал строиться.

Этапы создания трехмерного изображения

Для того чтобы получить 3д-изображение объекта необходимо выполнить следующие шаги

1. Моделирование - построение математической 3д-модели общей сцены и ее объектов.
2. Текстурирование включает наложение текстур на созданные модели, настройка материалов и придание моделям реалистичности.
3. Настройка освещения .
4. (движущихся объектов).
5. Рендеринг - процесс создания изображения объекта по предварительно созданной модели.
6. Композитинг или компоновка - постобработка полученного изображения.

Моделирование - создание виртуального пространства и объектов внутри него, включает создание различных геометрий, материалов, источников света, виртуальных камер, дополнительных спецэффектов.

Наиболее распространенными программными продуктами для 3d моделирования являются: Autodesk 3D max, Pixologic Zbrush, Blender.

Текстурирование представляет собой наложение на поверхность созданной трехмерной модели растрового или векторного изображения, позволяющего отобразить свойства и материал объекта.

Освещение - создание, установка направления и настройка источников освещения в созданной сцене. Графические 3д-редакторы, как правило, используют следующие виды источников света: spot light (расходящиеся лучи), omni light (всенаправленный свет), directional light (параллельные лучи) и др. Некоторые редакторы дают возможность создания источника объемного свечения (Sphere light).

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.

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.

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

Автоматизированное создание прототипов проектируемых изделий (Rapid Prototyping)

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

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

Стереолитографии;

Покрытие твердой массой;

Из слоев специальной бумаги или фольги;

Селективное спекание с помощью лазера;

Наплавлением.

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

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

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

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

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

Материал: термопластичная пластмасса, специальный воск для точного литья.

Использование трехмерных моделей для расчета изделий методами имитационного моделирования

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Перемещения связаны с соответствующими напряжениями законом Гука:

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

Работы, выполненные с использованием трехмерной компьютерной графики, одинаково привлекают к себе внимание и 3D-дизайнеров, и тех, кто имеет довольно смутное представление о том, как все это было сделано. Наиболее удачные работы в 3D невозможно отличить от реальных съемок. Такие работы, как правило, порождают вокруг себя жаркие споры о том, что же это: фотография или трехмерная подделка. Вдохновленные работами именитых 3D-художников, многие берутся за изучение трехмерных редакторов, полагая, что освоить их так же легко, как Photoshop. Между тем, программы для создания 3D-графики являются довольно сложными в освоении, и их изучение отнимает много времени и сил. Но даже изучив инструментарий трехмерного редактора добиться реалистичного изображения начинающему 3D-дизайнеру нелегко. Попав в ситуацию, когда сцена выглядит "мертвой", он не всегда может найти тому объяснение. В чем же дело?

Основная проблема создания фотореалистичного изображения заключается в трудности точной имитации окружающей среды. Картинка, которая получается в результате просчета (визуализации) в трехмерном редакторе, является результатом математических вычислений по заданному алгоритму. Разработчикам программного обеспечения трудно подобрать алгоритм, который помогал бы описать все физические процессы, которые имеют место в реальной жизни. Поэтому моделирование окружающей среды лежит на плечах самого 3D-художника. Существует определенный набор правил создания реалистичного трехмерного изображения. Вне зависимости от того, в каком трехмерном редакторе вы работаете и сцены какой сложности создаете, они остаются неизменными. Результатом работы в трехмерном редакторе является статичный файл или анимация. В зависимости от того, каким будет конечный продукт в вашем случае, подходы к созданию реалистичного изображения могут отличаться.

Начинаем с композиции

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

Не забудьте о деталях

При работе над трехмерным проектом нужно всегда принимать во внимание то, насколько объект виден в сцене, насколько он освещен и т.д. В зависимости от этого объект должен иметь большую или меньшую степень детализации. Трехмерный мир - это виртуальная реальность, где все напоминает театральные декорации. Если вы не будете видеть заднюю часть объекта - не моделируйте ее. Если у вас есть болт с накрученной гайкой, не стоит моделировать резьбу под гайкой; если в сцене будет виден фасад дома, не нужно моделировать интерьер; если вы моделируете сцену ночного леса, основное внимание стоит уделить лишь тем объектам, которые находятся на переднем плане. Деревья, расположенные на заднем плане, на отрендеренной картинке видны почти не будут, поэтому моделировать их с точностью до листика не имеет смысла.

Часто при создании трехмерных моделей едва ли не главную роль играют небольшие детали, которые делают объект более реалистичным. Если у вас не получается добиться реалистичности в сцене, попробуйте повысить степень детализации объектов. Чем больше мелких деталей будет содержать сцена, тем более правдоподобно будет выглядеть финальное изображение. Вариант с увеличением детализации сцены практически беспроигрышен, но имеет один недостаток - большое количество полигонов, что ведет к увеличению времени просчета. Убедиться в том, что реалистичность сцены напрямую зависит от степени детализации, можно на таком простом примере. Если создать в сцене три модели травинки и визуализировать их, то на зрителя изображение не произведет никакого впечатления. Однако, если эту группу объектов многократно клонировать, изображение будет смотреться эффектнее. Управлять детализацией можно двумя способами: так, как это описано выше (увеличивая количество полигонов в сцене), или же повышая разрешение текстуры. Во многих случаях имеет смысл больше внимания уделить созданию текстуры, нежели самой модели объекта. При этом вы сэкономите системные ресурсы, требуемые на просчет сложных моделей, уменьшив тем самым время рендеринга. Лучше делать более качественную текстуру, чем увеличивать количество полигонов. Прекрасным примером разумного использования текстуры может служить стена дома. Вы можете моделировать каждый кирпичик по отдельности, что займет и время, и ресурсы. Гораздо проще использовать фотографию кирпичной стены.

Если нужно создать пейзаж

Одна из наиболее трудных задач, с которой часто приходится иметь дело 3D-дизайнерам - моделирование природы. В чем же заключается проблема создания окружающей нас естественной обстановки? Все дело в том, что любой органический объект, будь то животное, растение и пр. - неоднороден. Несмотря на кажущуюся симметричную структуру, форма таких объектов не поддается никакому математическому описанию, с которым имеют дело трехмерные редакторы. Даже те объекты, которые, на первый взгляд, имеют симметричный вид, при более детальном рассмотрении оказываются несимметричными. Так, например, волосы на голове человека располагаются неодинаково с правой и левой стороны, чаще всего он их зачесывает направо, а лист на ветке дерева может быть поврежден гусеницей в каком-нибудь месте и т.д. Самым лучшим решением для имитации органики в 3D можно считать фрактальный алгоритм, который часто используется в настройках материалов и различных инструментов трехмерного моделирования. Этот алгоритм лучше других математических выражений помогает имитировать органику. Поэтому при создании органических объектов обязательно используйте возможности фрактального алгоритма для описания их свойств.

Тонкости создания материала

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

Добавление движения

При создании анимации геометрия объектов играет более важную роль, чем в случае со статичным изображением. В процессе движения зритель может видеть объекты под разным углом зрения, поэтому важно, чтобы модель выглядела реалистично со всех сторон. Например, при моделировании в статичной сцене деревьев можно пойти на хитрость и упростить себе задачу: вместо того, чтобы создавать "настоящее" дерево, можно сделать две пересекающиеся перпендикулярные плоскости и наложить на них текстуру с использованием маски прозрачности. При создании анимированной сцены этот способ не годится, так как такое дерево будет выглядеть реалистично только с одной точки, и любой поворот камеры "выдаст" подделку. В большинстве случаев, как только трехмерные объекты исчезают из объектива виртуальной камеры, лучше удалить их из сцены. В противном случае компьютер будет выполнять никому не нужную задачу, просчитывая невидимую геометрию.

Второе, что необходимо учитывать при создании анимированных сцен - это движение, в котором пребывает большинство предметов в реальности. Например, шторы в комнате колышутся от ветра, стрелки часов идут и т.д. Поэтому при создании анимации нужно обязательно проанализировать сцену и обозначить те объекты, для которых необходимо задать движение. Кстати сказать, движение придает реалистичности и статичным сценам. Однако, в отличие от анимированных, в них движение должно угадываться в застывших мелочах - в сползающей со спинки кресла рубашке, ползущей гусеницы на стволе, согнувшемся от ветра дереве. Если для более простых объектов сцены создать реалистичную анимацию относительно несложно, то смоделировать движение персонажа без вспомогательных инструментов практически невозможно. В повседневной жизни наши движения настолько естественны и привычны, что мы не думаем, например, запрокинуть ли нам голову во время смеха или пригнуться, проходя под низким навесом. Моделирование же подобного поведения в мире трехмерной графики сопряжено с множеством подводных камней, и воссоздать движения, и тем более мимику, человека не так-то просто. Именно поэтому для упрощения задачи применяется следующий способ: на тело человека навешивается большое количество датчиков, которые фиксируют перемещение любой его части в пространстве и подают соответствующий сигнал на компьютер. Тот, в свою очередь, полученную информацию обрабатывает и использует ее по отношению к некоторой скелетной модели персонажа. Такая технология называется motion capture. При движении оболочки, которая надевается на скелетную основу, необходимо также учитывать мускульную деформацию. Тем 3D-аниматорам, которые заняты персонажной анимацией, будет полезно изучить анатомию для того, чтобы лучше ориентироваться в системах костей и мускулов.

Освещение - это не только свет, но и тени

Создание сцены с реалистичным освещением - еще одна задача, которую предстоит решить для того, чтобы придать конечному изображению большую реалистичность. В реальном мире световые лучи многократно отражаются и преломляются в объектах, в результате чего тени, отбрасываемые объектами, в основном, имеют нечеткие, размытые границы. За качество отображения теней, в основном, отвечает аппарат визуализации. К теням, отбрасываемым в сцене, предъявляются отдельные требования. Отбрасываемая от объекта тень может сказать о многом - как высоко он находится над землей, какова структура поверхности, на которую падает тень, каким источником освещен объект и т.д. Если о тенях в сцене забыть, такая сцена никогда не будет выглядеть реалистичной, так как в реальности каждый объект имеет свою тень. Кроме этого, тень может подчеркнуть контраст между передним и задним планом, а также "выдать" объект, который не попал в поле зрения объектива виртуальной камеры. В этом случае зрителю дается возможность самому домыслить окружающую обстановку сцены. Например, на рубашке трехмерного персонажа он может увидеть падающую тень от веток и листьев и догадаться, что с обратной стороны от точки съемки растет дерево. С другой стороны, слишком большое количество теней не сделает изображение более реалистичным. Следите за тем, чтобы объект не отбрасывал тени от вспомогательных источников света. Если в сцене присутствует несколько объектов, излучающих свет, например, фонарей, то все элементы сцены должны отбрасывать тени от каждого из источников света. Однако, если в такой сцене вы будете использовать вспомогательные источники света (например, для того, чтобы подсветить темные участки сцены), создавать тени от этих источников не нужно. Вспомогательный источник должен быть незаметен зрителю, а тени выдадут его присутствие.

При создании сцены важно не переборщить с количеством источников света. Лучше потратить немного времени на то, чтобы наилучшим образом подобрать его положение, чем использовать несколько источников света там, где можно обойтись и одним. В случае же, когда использование нескольких источников необходимо, следите за тем, чтобы каждый из них отбрасывал тени. Если вы не можете увидеть тени от источника света, то, возможно, другой, более сильный, источник пересвечивает их. При расстановке источников света в сцене обязательно обратите внимание на их цвет. Источники дневного света имеют голубой оттенок, для создания же источника искусственного света нужно придать ему желтоватый окрас. Также следует принимать во внимание, что цвет источника, имитирующего дневной свет, зависит еще и от времени суток. Поэтому, если сюжет сцены подразумевает вечернее время, освещение может быть, например, в красноватых оттенках заката.

Самое главное - просчет

Визуализация - это завершающий и, безусловно, самый ответственный этап создания трехмерной сцены. Редактор трехмерной графики просчитывает изображение, учитывая геометрию объектов, свойства материалов, из которых они сделаны, расположение и параметры источников света и т.д. Если сравнивать работу в 3ds max с видеосъемкой, то значение движка рендеринга можно сопоставить с пленкой, на которой снимается материал. Точно так же, как на двух пленках разных фирм могут получаться яркий и блеклый снимки, результат вашей работы может быть реалистичный или только удовлетворительный в зависимости от того, какой алгоритм просчета изображения вы выбрали. Существование большого количества алгоритмов визуализации стало причиной увеличения числа внешних подключаемых рендереров. Часто один и тот же рендерер может интегрироваться с разными пакетами 3D-графики. По скорости и качеству просчитываемого изображения внешние визуализаторы, как правило, превосходят стандартный аппарат рендеринга 3D-редакторов. Однако нельзя однозначно дать ответ на вопрос, какой из них дает наилучший результат. Понятие "реалистичность" в этом случае является субъективным, потому что нет каких-либо объективных критериев, по которым можно было бы оценить степень реалистичности визуализатора.

Однако можно сказать наверняка, что для того, чтобы финальное изображение было более реалистичным, алгоритм визуализации должен учитывать все особенности распространения световой волны. Как мы уже говорили выше, попадая на объекты, луч света многократно отражается и преломляется. Просчитать освещенность в каждой точке пространства с учетом бесконечного числа отражений невозможно, поэтому для определения интенсивности света используются две упрощенные модели: трассировка (Raytracing) и метод глобальной освещенности (Global Illumination). До недавнего времени наиболее популярным алгоритмом визуализации была трассировка световых лучей. Этот метод заключался в том, что трехмерный редактор отслеживал ход луча, испускаемого источником света, с заданным числом преломлений и отражений. Трассировка не может обеспечить фотореалистичного изображения, поскольку этот алгоритм не предусматривает получения эффектов рефлективной и рефрактивной каустики (блики, возникающие в результате отражения и преломления света), а также свойств рассеиваемости света. На сегодняшний день использование метода глобального освещения является обязательным условием для получения реалистичного изображения. Если при трассировке просчитываются только те участки сцены, на которые попадают лучи света, метод глобального освещения просчитывает рассеиваемость света и в неосвещенных или находящихся в тени участках сцены на основе анализа каждого пикселя изображения. При этом учитываются все отражения лучей света в сцене.

Одним из наиболее распространенным способов просчета глобального освещения является Photon Mapping (фотонная трассировка). Этот метод подразумевает расчет глобального освещения, основанный на создании так называемой карты фотонов - информации об освещенности сцены, собранной при помощи трассировки. Преимущество Photon Mapping заключается в том, что единожды сохраненные в виде карты фотонов результаты фотонной трассировки впоследствии могут использоваться для создания эффекта глобального освещения в сценах трехмерной анимации. Качество Global Illumination, просчитанное при помощи фотонной трассировки, зависит от количества фотонов, а также глубины трассировки. При помощи Photon Mapping можно также осуществлять просчет каустики. Помимо просчета глобального освещения, внешние визуализаторы позволяют визуализировать материалы с учетом эффекта подповерхностного рассеивания (Sub-Surface Scattering). Этот эффект является необходимым условием достижения реалистичности таких материалов, как кожа, воск, тонкая ткань и т.д. Лучи света, попадающие на такой материал, помимо преломления и отражения, рассеиваются в самом материале, тем самым вызывая легкое свечение изнутри.

Еще одна причина, по которой изображения, просчитанные с помощью подключаемых рендереров, более реалистичны, чем картинки, визуализированные с использованием стандартных алгоритмов просчета - возможность использования эффектов камеры. К ним относятся, прежде всего, глубина резкости (Depth of Field), смазывание движущихся объектов (motion blur). Эффект глубины резкости можно использовать тогда, когда требуется обратить внимание зрителя на какую-нибудь деталь сцены. Если изображение содержит эффект глубины резкости, зритель в первую очередь замечает элементы сцены, на которые наведена резкость. Эффект глубины резкости может помочь в том случае, когда необходимо визуализировать то, что видит персонаж. С помощью эффекта глубины резкости можно фокусировать взгляд персонажа то на одном, то на другом объекте. Эффект глубины резкости является обязательной составляющей реалистичного изображения и тогда, когда внимание в сцене обращено на мелкий объект - например, на гусеницу на стволе. Если на картинке будут одинаково четко прорисованы все объекты, которые попадают в фокус включая ветки, листья, ствол и гусеницу, то такое изображение не будет выглядеть реалистично. Если бы подобная сцена существовала в действительности, и съемка велась не виртуальной, а настоящей камерой, в фокусе был бы только главный объект - гусеница. Все, что находится на расстоянии от нее, выглядело бы размытым. Поэтому на трехмерном изображении обязан присутствовать эффект глубины резкости.

Вывод

С каждым днем увеличиваются аппаратные возможности рабочих станций, что дает возможность еще более эффективно использовать инструментарий для работы с трехмерной графикой. Одновременно с этим совершенствуется арсенал средств редакторов трехмерной графики. В то же время основные подходы к созданию фотореалистичных изображений остаются неизменными. Выполнение этих требований не гарантирует того, что полученная картинка будет похожа на фотографию. Однако их игнорирование наверняка станет причиной неудачи. Создать фотореалистичное изображение, работая над трехмерным проектом в одиночку - невероятно сложная задача. Как правило, те, кто посвящают себя трехмерной графике и работают с ней профессионально, проявляют себя только на одном из этапов создания трехмерной сцены. Одни знают все тонкости моделирования, другие умеют мастерски создавать материалы, третьи "видят" правильное освещение сцен и т.д. Поэтому, начиная работать с 3D, постарайтесь найти ту область, в которой вы себя чувствуете наиболее уверенно, и развивать свои таланты.

Сергей и Марина Бондаренко, http://www.3domen.com