Технология создания реалистичных трехмерных изображений. Трехмерная графика в современном мире Реалистичность трехмерного изображения

Работы, выполненные с использованием трехмерной компьютерной графики, одинаково привлекают к себе внимание и ЗD-дизайнеров, и тех, кто имеет довольно смутное представление о том, как это было сделано. Наиболее удачные трехмерные работы 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 ЗD-художников, многие берутся за изучение трехмерных редакторов, полагая, что освоить их так же легко, как Photoshop. Между тем программы для создания ЗD-графики являются довольно сложными в освоении, и их изучение отнимает много времени и сил. Однако даже изучив инструментарий трехмерного редактора, добиться реалистичного изображения начинающему дизайнеру нелегко. Попав в ситуацию, когда сцена выглядит «неживой», он не всегда может найти этому 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 реальной жизни. По этой причине моделирование окружающей среды лежит на плечах самого ЗD-художника.
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.
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. 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, выполняют только один из этапов создания трехмерной сцены. Одни знают все тонкости моделирования, другие умоют мастерски создавать материалы, третьи «видят» правильное освещение сцен и т. д. По этой причине, начиная работать с трехмерной графикой, постарайтесь найти ту область, в которой вы себя чувствуете наиболее уверенно, и развивать свои таланты.
Как вы знаете, результатом работы в трехмерном редакторе является статический файл или анимация. В зависимости от того, каким будет конечный продукт в вашем случае, подходы к созданию реалистичного изображения могут различаться.

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, которые находятся ближе к объективу камеры, визуально кажутся большими по размеру. По этой причине 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.
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, то цвета должны быть яркими, если же создаете чудовище, 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 ганкой, не стоит моделировать резьбу под гайкой, если в сцене будет виден фасад дома, не нужно моделировать интерьер, если вы создаете сцену ночного леса, основное внимание стоит уделить лишь тем объектам, которые находятся на переднем плане. Деревья, расположенные на заднем плане, на визуализированном изображении видны почти не будут, поэтому не имеет смысла моделировать их с точностью до листика.
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 сцепы напрямую зависит от степени детализации, можно на 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, то изображение будет смотреться эффектнее.
Управлять детализацией можно двумя способами: так, как это описано выше (увеличивая количество полигонов в сцене), или 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, уменьшим тем самым время визуализации. 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 дизайнерам трехмерной графики, - 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. Например, волосы на голове человека располагаются неодинаково с правой и левой стороны, чаще всего их зачесывают направо, а лист на ветке дерева может быть поврежден гусеницей в каком-нибудь месте и т. д.
Самым лучшим решением для имитации органики в трехмерной графике 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 в полученном изображении сильно зависит от множества факторов, среди которых: параметры освещения (яркость, угол падения света, цвет источника света и т. д.), алгоритм визуализации (тип используемого визуализатора и его настройки), разрешение растровой текстуры. Большое значение имеет также метод проецирования текстуры на объект. Неудачно наложенная текстура может «выдать» трехмерный объект образованным швом или подозрительно повторяющимся рисунком. Кроме того, обычно реальные 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.

В отличие от двумерной анимации, где многое может быть нарисовано от руки, в трехмерной объекты слишком гладкие, их форма слишком правильная и движутся они по слишком "геометрическим" траекториям. Правда, эти проблемы преодолимы. В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов. Для создания "неровных" объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц. Вводится инверсная кинематика и другие техники оживления, возникают новые методы совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными. Кроме того, технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать ее в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвертом. И, наконец, функции многих профессиональных пакетов можно сегодня расширить с помощью дополнительных приложений, написанных специально для базового пакета.

3D Studio и 3D Studio MAX

Один из самых известных пакетов 3D-анимации на IBM - это 3D Studio фирмы Autodesk. Программа работает под DOS, обеспечивает весь процесс создания трехмерного фильма: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео. Кроме того, существует широкий спектр прикладных программ (IPAS-процессов), написанных специально для 3D Studio. Новая программа той же фирмы под названием 3D Studio MAX для Windows NT создавалась в течение нескольких последних лет и претендует на роль конкурента мощным пакетам для рабочих станций SGI. Интерфейс новой программы един для всех модулей и обладает высокой степенью интерактивности. 3D Studio MAX реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет создавать разнообразные световые эффекты, поддерживает 3D-акселераторы и имеет открытую архитектуру, то есть позволяет третьим фирмам включать в систему дополнительные приложения.

TrueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas

Electric Image, SoftImage

Для создания трехмерной анимации на компьютерах IBM и Macintosh удобно пользоваться и пакетом Electric Image Animation System, включающим большой комплекс анимационных средств, спецэффекты, инструментарий для работы со звуком и генератор шрифтов с настраиваемыми параметрами. Хотя у этой программы нет средств моделирования, но зато есть возможность импорта свыше тридцати различных форматов моделей. Пакет также поддерживает работу с иерархическими объектами и средствами инверсной кинематики. В свою очередь, программа Softimage 3D фирмы Microsoft работает на платформах SGI и Windows NT. Она поддерживает моделирование на базе полигонов и сплайнов, создание спецэффектов, работу с частицами и технологию переноса движения с живых актеров на компьютерных персонажей.

Способы достижения реализма в трехмерной графике

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

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.

Вы, наверное, читаете эту статью на экране монитора компьютера или мобильного устройства - дисплей, который имеет реальные размеры, высоту и ширину. Но когда вы смотрите, например, мультфильм История Игрушек или играете в игру Tomb Raider, вы лицезреете трёхмерный мир. Одной из самых удивительных вещей трехмерного мира является то, что мир, который вы видите, может быть миром, в котором мы живем, миром, в котором мы будем жить завтра, или миром, который живет только в умах создателей фильма или игры. И все эти миры могут появиться только на одном экране - это как минимум интересно.
Как компьютер делает так, что обманывает наши глаза и мы думаем, что смотря на плоский экран видим глубину представленной картины? Как разработчики игр делают так, что мы видим реальных персонажей, передвигающихся в реальном ландшафте? Сегодня я расскажу вам о визуальных трюках, используемых графическими дизайнерами, и о том, как всё это разрабатывается и кажется нам настолько простым. На самом деле всё не просто, и чтобы узнать, что из себя представляет 3D-графика, ступайте под кат - там вас ждёт увлекательная история, в которую, я уверен, вы погрузитесь с небывалым удовольствием.

Что делает изображение трехмерным?

Изображение, которое имеет или кажется, что имеет высоту, ширину и глубину является трехмерным (3D). Картинка, которая имеет высоту и ширину, но не глубину является двумерной (2D). Напомните-ка мне, где вы встречаете двумерные изображения? - Практически везде. Вспомните даже обычный символ на двери туалета, обозначающий кабинку для того или иного пола. Символы спроектированы таким образом, что вы можете распознать их и узнать с первого взгляда. Вот почему они используют только самые основные формы. Более детальная информация о каком-либо символе может рассказать вам, какую одежду носит этот маленький человечек, весящий на двери, или цвет волос, например, символики двери женского туалета. Это одно из основных отличий между тем, как используется трехмерная и двумерная графики: 2D-графика проста и запоминаема, а 3D-графика использует больше деталей и вмещает в казалось бы обычный объект значительно больше информации.

Например, треугольники имеют три линии и три угла - всё, что нужно, чтобы рассказать из чего состоит треугольник и вообще что представляет собой. Однако посмотрите на треугольник с другой стороны - пирамида - является трехмерной структурой с четырьмя треугольными сторонами. Обратите внимание, что в этом случае имеется уже шесть линий и четыре угла - из этого и состоит пирамида. Видите, как обычный объект может превратится в трехмерный и вместить в себя гораздо больше информации, необходимой, чтобы рассказать историю треугольника или пирамиды.

На протяжении сотен лет художники использовали некоторые визуальные трюки, которые могут сделать плоское 2D-изображение настоящим окном в реальный трехмерный мир. Вы можете увидеть подобный эффект на обычной фотографии, которые вы можете сканировать и просмотреть на мониторе компьютера: объекты на фотографии кажутся меньше, когда они дальше; объекты же, близкие к объективу камеры, находятся в фокусе, значит, соответственно, всё, что за объектами в фокусе - размыто. Цвета, как правило, менее яркие, если объект не так близок. Когда мы говорим о 3D-графике на компьютерах сегодня - мы говорим об изображениях, которые движутся.

Что такое 3D-графика?

Для многих из нас игры на персональном компьютере, мобильном устройстве или вообще продвинутая игровая система - самый яркий пример и распространенный способ, благодаря которому мы можем созерцать трехмерную графику. Все эти игры, крутые фильмы, созданные при помощи компьютера, должны пройти три основных шага по созданию и представлению реалистичных трехмерных сцен:

1. Создание виртуального 3D-мира
2. Определение того, какая часть мира будет показана на экране
3. Определение того, как пиксель на экране будет выглядеть, чтобы полное изображение казалось максимально реалистичным

Создание виртуального 3D-мира
Виртуальный 3D-мир - это, понятное дело, не то же самое, что и реальный мир. Создание виртуального 3D-мира - комплексная работа по компьютерной визуализации мира, схожего с реальным, для создания которого используется большое количество инструментов и который подразумевает крайне высокую детализацию. Возьмите, к примеру, очень маленькую часть реального мира - свою руку и рабочий стол под ней. Ваша рука обладает особенными качествами, которые определяют, как она может двигаться и выглядеть внешне. Суставы пальцев сгибаются только в сторону ладони, а не противоположно от неё. Если вы ударите по столу, то с ним никаких действий не произойдёт - стол тверд. Соответственно, ваша рука не может пройти через ваш рабочий стол. Вы можете доказать, что это утверждение истинно, смотря на что-то естественное, а в виртуальном трехмерном мире дела обстоят совсем по-другому - в виртуальном мире нет природы, нет таких естественных вещей, как ваша рука, например. Предметы в виртуальном мире полностью синтетические - это единственные свойства, данные им с помощью программного обеспечения. Программисты используют специальные инструменты и разрабатывают виртуальные 3D-миры с особой тщательностью, чтобы всё в них всегда вело себя определённым образом.

Какая часть виртуального мира показывается на экране?
В любой момент экран показывает только крошечную часть виртуального трехмерного мира, созданного для компьютерной игры. То, что показывается на экране - определенные комбинации способов, которыми определяется мир, где вы принимаете решение куда пойти и что посмотреть. Независимо от того, куда вы идёте - вперёд или назад, вверх или вниз, влево или вправо - виртуальный трехмерный мир вокруг вас определяет то, что вы видите, находясь на определенной позиции. То, что вы видите, имеет смысл от одной сцены к другой. Если вы смотрите на объект с того же расстояния, вне зависимости от направления, он должен выглядеть высоко. Каждый объект должен выглядеть и двигаться таким образом, чтобы вы верили в то, что он имеет ту же массу, что и реальный объект, что он такой же твёрдый или мягкий, как и реальный объект, и так далее.

Программисты, которые пишут компьютерные игры, прикладывают огромные усилия к разработке виртуальных 3D-миров и делают их так, чтобы вы могли блуждать в них, не сталкиваясь ни с чем, что заставляло бы вас думать «Это не могло произойти в этом мире!». Последней вещью, которую вы хотите видеть - два твёрдых объекта, которые могут пройти прямо друг через друга. Это - резкое напоминание о том, что всё, что вы видите, является притворством. Третий шаг включает в себя ещё как минимум столько же вычислений, сколько и другие два шага и должны происходить так же в реальном времени.

Освещение и перспектива

Когда вы входите в комнату, вы включаете свет. Вы, наверное, не тратите много времени на раздумья, как же это на самом деле работает и как свет исходит от лампы, распространяясь по комнате. Но люди, работающие с трехмерной графикой, должны думать об этом, потому что все поверхности, окружающие каркасы и прочие подобные вещи должны быть освещены. Один из методов - трассировка лучей - предполагает участки пути, которые берут лучи света, покидая лампочку, отскакивая от зеркал, стен и других отражающих поверхностей и, наконец, приземляются на предметы с различной интенсивностью от различных углов. Это сложно, ведь от одной лампочки может быть один луч, но в большинстве помещений используется несколько источников света - несколько светильников, потолочные светильники (люстры), торшеры, окна, свечи и так далее.

Освещение играет ключевую роль в двух эффектах, которые придают внешний вид, вес и внешнюю прочность объектов: затемнение и тени. Первый эффект, затемнение, представляет собой место, где с одной стороны на объект падает больше света, чем с другой. Затемнение придает объекту множество натурализма. Эта штриховка - то, что делает сгибы в одеяле глубокими и мягкими, а высокие скулы кажутся поразительными. Эти различия в интенсивности света укрепляют общую иллюзию, что у объекта есть глубина, а также высота и ширина. Иллюзия массы происходит от второго эффекта - тени.

Твердые тела отбрасывают тени, когда свет падает на них. Вы можете увидеть это, когда вы наблюдаете тень, которую солнечные часы или дерево бросают на тротуар. Поэтому мы привыкли видеть реальные предметы и людей отбрасывающих тени. В трехмерном изображении тень, опять же, укрепляет иллюзию, создавая эффект присутствия в реальном мире, а не в экране математически произведенных форм.

Перспектива
Перспектива - одно слово, способное значить многое, но фактически описывающее простой эффект, который видели все. Если вы стоите на стороне длинной, прямой дороги и смотрите вдаль, кажется, как будто обе стороны дороги сходятся в одной точке на горизонте. Кроме того, если деревья стоят рядом с дорогой, деревья дальше будут выглядеть меньше, чем деревья близкие к вам. На самом деле будет похоже, что деревья сходятся в определённой точке горизонта, сформированной около дороги, но это не так. Когда все объекты на сцене будут выглядеть в конечном итоге сходящимися в одной точке на расстоянии - это перспектива. Есть множество вариаций этого эффекта, но большинство трехмерной графики использует единую точку зрения, которая только что была описана мною.

Глубина резкости

Другим оптическим эффектом, успешно использующимся для создания графических трехмерных объектов, является глубина резкости. Используя мой пример с деревьями, помимо вышеописанного происходит ещё одна интересная вещь. Если вы посмотрите на деревья, находящиеся близко по отношению к вам, деревья, расположенные дальше, как представляется, будут не в фокусе. Кинорежиссеры и компьютерные аниматоры используют данный эффект, глубину резкости, для двух целей. Первая заключается в укреплении иллюзии глубины в рассматриваемой пользователем сцене. Вторая цель - использование режиссерами глубины резкости сосредотачивает свое внимание на предметах или актерах, которые считаются наиболее важными. Чтобы обратить ваше внимание не героиню фильма, например, может использоваться «малая глубина резкости», где только актер находится в фокусе. Сцена, которая разработана таким образом, чтобы произвести на вас полное впечатление, наоборот будет использовать «глубокую глубину резкости», чтобы как можно больше объектов было в фокусе и таким образом заметно зрителю.

Сглаживание

Ещё один эффект, который также полагается на обман глаз - сглаживание. Цифровые графические системы очень хорошо подходят для создания четких линий. Но бывает и такое, что оказывают верх диагональные линии (они же довольно часто появляются в реальном мире, и тогда компьютер воспроизводит линии, которые больше напоминают лесенки (я думаю, что вы знаете, что такое лесенка при детальном рассмотрении объекта изображения)). Таким образом, чтобы обмануть свой глаз при виде гладкой кривой или линии, компьютер может добавить определённые оттенки цвета в строки пикселей, окружающих линию. Этим «серым цветом» пикселей компьютер как раз-таки и обманывает ваши глаза, а вы, тем временем, думаете, что зубчатых ступенек больше нет. Этот процесс добавления дополнительных цветных пикселей для обмана глаз называется сглаживанием, и он является одним из методов, которые создаются вручную компьютерной трехмерной графикой. Другой сложной задачей для компьютера является создание трехмерной анимации, пример которой будет представлен вам в следующем разделе.

Реальные примеры

Когда все трюки, описанные мною выше, используются вместе для создания потрясающе реальной сцены - итог соответствует трудам. Последние игры, фильмы, машинно-генерируемые объекты сочетаются с фотографическими фонами - это усиливает иллюзию. Вы можете увидеть удивительные результаты, когда вы сравните фотографии и компьютерную сцену.

На фотографии выше представлен обычный офис, для входа в который используется тротуар. В одной из следующих фотографий на тротуар был положен простой однотонный мяч, после чего эту сцену сфотографировали. Третья фотография представляет из себя уже использование компьютерной графической программы, которая и создала на самом деле несуществующий на этой фотографии мяч. Можете ли вы сказать, что есть какие-то существенные различия между двумя этими фотографиями? Думаю, что нет.

Создание анимации и видимости «живого действия»

До сих пор мы рассматривали инструменты, которые заставляют любое цифровое изображение казаться более реалистичным - является ли изображение стиллом или частью анимационной последовательности. Если это анимационная последовательность, то программисты и дизайнеры будут использовать ещё больше различных визуальных уловок, чтобы создать видимость «живого действия», а не изображений, созданных компьютером.

Сколько кадров в секунду?
Когда вы идете на шикарный блокбастер в местное кино, последовательность изображений, называемых кадрами работает в количестве 24 кадра в секунду. Так как наша сетчатка сохраняет изображение немного дольше, чем 1/24 секунды, глаза большинства людей будут смешивать кадры в один непрерывный образ движения и действия.

Если вы не понимаете, о чём я только что написал, то посмотрим на это с другой стороны: это означает, что каждый кадр кинофильма - фотография, сделанная на выдержке (экспозиции) 1/24 секунды. Таким образом, если вы посмотрите на один из многочисленных кадров фильма о гонках, вы увидите, что некоторые гоночные автомобили «размываются», потому что они проехали с большой скоростью в то время, пока у камеры открыт затвор. Данная размытость вещей, создающаяся за счёт быстрого движения - то, что мы привыкли видеть, и это часть того, что делает изображение реальным для нас, когда мы смотрим на него на экране.

Однако, цифровые трехмерные изображения - это ведь не фотографии как ни крути, поэтому никакого эффекта размывания не происходит, когда объект перемещается в кадре во время съёмки. Чтобы сделать изображения более реалистичными, размывание должно быть явно добавлено программистами. Некоторые дизайнеры считают, что для «преодоления» этого отсутствия естественного размытия требуется более 30 кадров в секунду, посему и подтолкнули игры выйти на новый уровень - 60 кадров в секунду. Хотя это и позволяет каждому отдельному изображению выглядеть в мельчайших подробностях и отображать движущиеся объекты в меньших приращениях, оно существенно увеличивает количество кадров для данной анимационной последовательности действий. Есть и другие определенные куски изображений, где точный рендеринг на компьютере должен быть принесен в жертву ради реализма. Это относится как к подвижным, так и неподвижным объектам, но это уже совсем другая история.

Подойдем к концу

Компьютерная графика продолжает удивлять весь мир, создавая и генерируя самые разнообразные действительно реалистично движущиеся и недвижущиеся объекты и сцены. С 80 колонок и 25 линий монохромного текста графика значительно продвинулась, и результат очевиден - миллионы людей играют в игры и проводят самые различные симуляции с сегодняшней технологией. Новые 3D-процессоры также дадут о себе знать - благодаря им мы сможем в буквальном смысле исследовать другие миры и испытывать то, чего мы никогда не осмеливались попробовать в реальной жизни. Напоследок вернемся к примеру с мячом: как создавалась эта сцена? Ответ прост: изображение имеет сгенерированный компьютером мяч. Нелегко сказать, который из двух является подлинным, не так ли? Наш мир удивителен и мы должны соответствовать ему. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали для себя очередную порцию интересной информации.