Объясните что такое моделирование текстурирование рендеринг

Трехмерная графика. Определение и область применения. Достоинства и недостатки

Трехмерная графика. Определение. Этапы для создания сцен

• 5.2 Моделирование. Текстурирование. Осещение. Анимация. Рендеринг
• 5.3 Достоинства и недостатки 3D графики. Применение
• 5.1. Трехмерная графика. Определение.

Этапы для создания сцен

Этот вид компьютерной графики вобрал в себя очень много из векторной, а также из растровой компьютерной графики. Трехмерная компьютерная графика, как и векторная, является объектно-ориентированной, что позволяет изменять как все элементы трехмерной сцены, так и каждый объект в отдельности.

Трехмерная графика — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трехмерном пространстве, а также результат работы таких программ.

Трехмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трехмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

Модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырехмерного фрактала).

Для получения трехмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

• 1. моделирование— создание трехмерной математической модели сцены и объектов в ней;
• 2. текстурирование— назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур;
• 3. освещение — установка и настройка источников света;
• 4. анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
• 5. динамическая симуляция (в некоторых случаях)— автоматический расчет взаимодействия частиц, твердых/мягких тел с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
• 6. рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
• 7. композитинг (компоновка) (в некоторых случаях) — доработка изображения.

Моделирование. Текстурирование. Освещение. Анимация. Рендеринг

Осещение. Анимация. Рендеринг

Виртуальное пространство, в котором осуществляется моделирование, называют сценой, и она включает несколько объектов:

Геометрия — созданная при помощи разных техник модель, например, здание.

Материалы — любая информация о визуальных характеристиках модели: например, форма здания, цвет стен, способности окон отражать и преломлять свет.

Источники света — то, что позволяет регулировать мощность, направление и спектр освещения.

Силы и воздействия — в основном актуальны в ЗТ)-анимации. Это настройки динамических искажений объектов.

Виртуальные камеры — позволяют подбирать нужную точку и угол для создания проекции.

Основной задачей трехмерного моделирования является подробное описание искомых объектов и такое их размещение в сцене, которое будет соответствовать требованиям к будущему изображению. Для этого и применяется геометрическое преобразование.

Подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 — Текстурирование

Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков: Unfold3D magic (рисунок 5.2), Deep UV, Unwrella и др.

Рисунок 5.2 — Unf jld3D magic

Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты ЗВ-графики предоставляют следующие типы источников освещения:

• — omni light (Point light) — всенаправленный (рисунок 5.3);
• — spot light— конический (прожектор), источник расходящихся лучей;
• — directional light — источник параллельных лучей;
• — area light (Plane light) — световой портал, излучающий свет из плоскости;
• — photometric — источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному назначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объема. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы. Специалисты советуют начинать с одного основного источника света, а остальные добавлять постепенно — по одному, в зависимости от показаний тестового рендера.

Одно из главных призваний трехмерной графики — придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации.

Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень офаниченным набором инструментов моделирования: Autodesk MotionBuilder, PMG Messiah Studio.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок— кадров. Изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена, по крайней мере, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зеленого цвета. Таким образом, рендеринг преобразует трехмерную векторную структуру данных в плоскую матриц>’ пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции. Обычно этого недостаточно, и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счет прозрачных сред (например, жидкости в стакане рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 — Имитация Жидкости в стакане

Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе:

— Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10) (рисунок 5.5).

Простая трёхмерная сцена

Представление в Z-буфере

Рисунок 5.5 — Z — буфер

• — Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей)— расчет цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности.
• — Трассировка лучей (raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счет построения дополнительных лучей (отраженных, преломленных ит. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 — Трас сировка л чей

Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стерлась. Наиболее популярными системами рендеринга являются: mental ray, V-Ray, final render, YafaRay.

Что такое 3D-моделирование и где оно применяется

Понятие «3D» плотно вошло в нашу жизнь и используется со множеством слов: 3D-графика, 3D-модели, 3D-фильмы, 3D-звук, 3D-принтер и многие другие. Само это обозначение расшифровывается как 3 измерения или размера. Оно используется, когда нужно сказать о чем-то реалистичном и объемном.

В этой статье мы расскажем, что такое 3D-моделирование, какие бывают его виды, где оно используется и как стать 3D-моделлером.

Что такое 3Д-моделирование

Этот процесс представляет собой создание трехмерной модели. То есть такой объект имеет не только высоту и ширину, но и глубину. Например, в игре God of War: Ragnarök используется 3д моделирование для создания персонажей, локаций и отдельных игровых объектов (ассетов).

Здесь ты можешь увидеть форму, объем и размер объектов. Поэтому простыми словами можно сказать, что 3D-моделирование — это создание объемных моделей с помощью специальных компьютерных программ.

Виды 3D-моделирования

Использование трехмерных моделей нашло свое применение во многих сферах жизни. Поэтому неудивительно, что и видов такого моделирования большое количество. Ниже мы их разберем: их отличия, области применения и др.

Полигональное моделирование

• вершины (англ. vertex) — точки, заданные в пространстве;
• ребра (англ. edge), которые соединяют вершины;
• грани (англ. polygon) — это участки в виде многоугольников, которые образуются при соединении точек и ребер. Самый простой полигон — это треугольник.

Все полигональные объекты можно разделить на:

High-poly — это детализированные модели, которые не имеют ограничений по количеству полигонов. Для игр их использовать нельзя, так как производительные мощности компьютеров, а тем более телефонов, просто не выдержат такой нагрузки.

Low-poly — это модели, которые используют минимально возможное количество полигонов, но при этом объект должен оставаться понятным и определяемым для человека.

При этом нет каких-то строгих границ по количеству полигонов. Например, для игр на мобильных телефонах используется в среднем от 2 до 9 тысяч таких многоугольников, а для объектов класса AAA (высокобюджетные проекты) может быть задействовано и 50 000, и 100 000, и даже 200 000 полигонов!

Как сказано выше, такие модели используются в компьютерных и мобильных играх благодаря своей «легкости» по сравнению с high-poly. Здесь ты можешь возразить: погоди, но ведь мы видим множество деталей на объектах в играх. Да, согласны, но все это добавляется с помощью текстурирования, о котором мы рассказывали в этой статье.

Middle-poly — это что-то среднее между high-poly и low-poly. Такие полигональные модели достаточно детализированы, но при этом не требуют таких технических мощностей. Чаще всего используются в фильмах и рекламе.

Отдельно можно выделить один из подвидов полигонального моделирования — скульптинг. Он сравним с процессом лепки из «цифровой глины». Инструменты, которые используются в данном процессе, дают возможность создать модель с высокой детализацией.

Параметрическое моделирование

К сожалению, с помощью полигонального моделирования невозможно создать объекты, которые будут учитывать свойства материалов и максимально соответствовать оригиналу. Здесь на помощь приходят методы промышленного проектирования. Название такого вида — система автоматизированного проектирования, сокращенно САПР (англ. CAD).

Основное отличие — это способ твердотельного моделирования. То есть при разделении на части объект внутри не будет пустым, как в случае полигонального моделирования.

САПР используется в промышленности и строительстве.

Воксельное моделирование

Этот вид моделирования представляет объекты в трехмерном пространстве в виде 3D-кубиков. Чаще всего используется для создания стилизованных игр и иллюстраций.

Еще может применяться в медицине (УЗИ, томография, МРТ) и науке, а также использоваться в создании более реалистичных игр, но в этом случае, на данный момент, является очень требовательным к техническим характеристикам.

Сплайновое моделирование

Объемная модель создается в этом случае с помощью трехмерных кривых, которые называются сплайнами. Данный вид моделирования отличают плавные формы, что позволяет создавать людей, животных, растения, архитектурные объекты, украшения и пр.

Чаще всего такие модели для дальнейшей работы преобразовывают в полигональные.

Примеры трехмерных моделей

Теперь, когда тебе стали знакомы виды моделирования, давай посмотрим на визуализацию таких объектов.

Где применяется 3д-моделирование

Выше мы уже раскрыли некоторые сферы, в которых применяется 3D-моделирование. Но сделали это кратко, поэтому сейчас давай рассмотрим каждое из направлений подробнее.

Индустрия игр

Геймдев (англ. GameDev) дословно переводится как «разработка игр». Направление, которое с каждым годом набирает все больший оборот. В 2021 году количество человек, которые играют в игры, возросло до 3 миллиардов.

Так что индустрия игр растет и будет расти еще долго. А 3D-моделирование лишь помогает ей с этим. Персонажи, локации, оружие, техника, предметы — все это создается с его помощью.

В крупных проектах 3D-разработчики закреплены на отдельных участках. Например, есть художники по персонажам, по окружению, по механизмам и т.д. Есть также возможность работать на определенных процессах: текстурированию, освещению и проч.

Но если мы говорим о небольших компаниях или инди-разработчиках (один человек или команда независимых разработчиков, создающих игру самостоятельно), то чаще всего здесь необходим 3D-дженералист. Такой человек умеет работать на каждом из процессов: от блокинга до текстурирования.

Подробнее о 3D Generalist мы говорили здесь.

Кинематограф

Сейчас трудно найти фильм, к которому не приложил руку 3D-разработчик. Конечно, в первую очередь, речь идет о спецэффектах. Сейчас дешевле и проще снять сцены на зеленом фоне, а после добавить взрывы, пожар, наводнения и другие природные катаклизмы.

• Motion capture используется при создании необычных существ. Для этого актер надевает специальный костюм, а на лицо ему наносят точки, которые считывает программа. А уже с перенесенной на экран моделью работает специалист.
• Matte painting можно описать, как «дорисовывание» реальности. Красивые виды, звездное небо, просторные равнины и многое другое воссоздает 3D-художник для создания желаемой картинки.

Промышленность

Медицина и наука

Дизайн

Реклама

Что нужно для 3D-моделирования

Чтобы стать 3D-художником, необходимо иметь определенные технические навыки, а также личные качества.

• креативным мышлением;
• терпением и усидчивостью;
• быстрым усвоением новой информации;
• хорошим воображением;
• желанием самосовершенствоваться.

• Программа 3ds Max предназначена для создания высококачественных моделей. Софт обладает всеми необходимыми инструментами для моделирования, текстурирования, рендеринга и проч.
• Программа ZBrush предназначена для скульптинга, не имеющая достойных аналогов.
• Программное обеспечение Maya предназначено для создания качественных моделей для игр и кинематографа.
• Программа Blender — софт, который отлично подойдет и для новичков, и для профи. Большой функционал для различных целей 3D-моделирования.
• Substance Painter и Substance Designer — программные обеспечения с большим выбором кистей для работы с текстурами и материалами.
• Программа Marmoset Toolbag предназначена для запекания карт, рендеринга и текстурирования.

• Процессор: не ниже Intel Core i7-4770K с 3,5 GHz.
• Операционная система: Windows 10.
• Оперативная память: 8 Гб.
• Видеокарта: с поддержкой OpenGL 4.3 на 4 Гб памяти.
• Свободное место на диске: 50 Гб.
• Full HD монитор 1920х1080.

Где можно изучить 3Д-моделирование новичку

• Во-первых, ты будешь обучаться по отработанной программе с актуальной информацией.
• Во-вторых, при любой возникшей сложности тебе всегда придут на помощь кураторы.
• В-третьих, самостоятельное изучение — это долгий путь с риском потерять мотивацию на середине и забросить совсем.

В Timart School есть годовое обучение 3D Developer, состоящее из 4 уровней:

• 3D-художник игровых локаций и окружения,
• 3D-художник игровых ассетов,
• 3D-художник персонажей,
• начинающий 3D-аниматор.

По итогу обучения ты станешь профессиональным 3D-разработчиком, который сможет работать в крутых компаниях на крупных ААА-проектах.

Также ты можешь начать изучение индустрии с одной программы, которая позволит тебе зарабатывать уже через пару месяцев. Специально для этого был разработан курс по Blender.

3D-моделирование — это направление, которое используется во многих сферах нашей жизни. Разные виды моделирования, огромная вариативность работ и задач, возможности, которые открываются перед 3D-разработчиком, — это все отличает данное направление от других.

Объясните что такое моделирование текстурирование рендеринг

Проект дизайнера 金 银花, созданный с использованием рендеринга в 3ds Max. Источник

Визуализация апартаментов, выполненная студией YODEZEEN Architects. Источник

Рендеринг кадра видеоигры с готовностью 70%. Источник

Рендеринг видеодорожки. Источник

Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа). Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа). Источник

Техники рендеринга

Схематическое изображение процесса растеризации. Источник

Пример наличия и отсутствия трассировки лучей. Источник

Пример изображения, полученного при помощи нескольких уравнений рендеринга. Источник

Основные понятия в сфере рендеринга

• Прозрачность — резкое прохождение луча света сквозь твердый объект.
• Полупрозрачность — рассеянная передача лучей света сквозь объект.
• Преломление — изгиб света, непосредственно связанный с прозрачностью.
• Дифракция — огибание лучом света границы твердого объекта.
• Непрямое освещение — свет, отраженный от нескольких поверхностей, а не исходящий из источника.
• Каустика — форма непрямого освещения, при которой лучи света фокусируются сквозь прозрачный объект.

• Фоггинг — эффект, при котором свет становится более тусклым при прохождении сквозь туман или дождь.
• Бамп-мэппинг — метод моделирования неровностей на различных поверхностях.
• Шейдинг — зависимость оттенка поверхности и степени его яркости от освещения.

ПО для 3D-рендеринга

Изображение, полученное в 3ds Max, от Yuri de Menezes. Источник

Работа с полигонами в Maya. Источник

Архитектурная модель от Ten Over Studio, визуализированная в Lumion. Источник

Рабочий интерфейс Cinema 4D. Источник

Процесс создания трехмерной модели в Zbrush. Источник

Пример работы дизайнера stone sun в Sculptris. Источник

Пример работы дизайнера Maximilien Vert в Blender. Источник

Пример изображения, созданного дизайнером Hiroshi Yoshii в рендерере Modo. Источник

§ 66. Введение

Раньше, говоря о компьютерной графике, мы имели в виду двумерные («плоские») изображения. Невозможно «повернуть» автомобиль, изображённый на таком рисунке, и посмотреть на него с другой стороны. В то же время реальный автомобиль — это трёхмерный объект, поэтому при решении многих задач его «плоской» модели (рисунка, фотографии) недостаточно.

• Трёхмернаяграфика (ЗD-графика, от англ. З—Dimensions — 3 измерения)— это раздел компьютерной графики, который занимается созданием моделей и изображений трёхмерных объектов.

В программах для работы с ЗD-графикой строятся трёхмерные (пространственные) модели объектов, в которых каждая точка имеет три координаты (а не две, как на «плоском» рисунке). Затем пользователь может выбрать в пространстве точку наблюде­ния и получить плоское изображение, т. е. построить проекцию трёхмерной сцены на плоскость. Многие программы позволяют создавать анимацию, показывающую движение трёхмерных объ­ектов в пространстве.

ЗD-модели применяются не только для построения двумерных изображений. Их используют для различных вычислений, например для расчёта прочности деталей. В последние годы активно разрабатываются ЗDпринтеры, которые позволяют методом послойной печати построить объёмный физический объект (чаще всего из пластика) по его трёхмерной модели.

Перечислим важнейшие области применения трёхмерной гра­фики:

• компьютерное проектирование машин и механизмов(САПР — системы автоматизированного проектирования);

• компьютерные тренажёры и обучающие программы;

• построение трёхмерных моделей в науке, промышленности,медицине;

• дизайн зданий и интерьера (внутренней обстановки);

• компьютерные эффекты в кино и телевидении; существуют даже полнометражные фильмы, которые полностью созданы с помощью трёхмерной графики и анимации;

Создание изображений с помощью ЗD-графики включает не­сколько этапов:

1)моделирование — создание трёхмерных объектов, персонажей;

2)текстурирование (раскраска) — наложение на модели рисунков (текстур), которые имитируют реальный материал (дерево, мрамор, металл, кожу и пр.);

3)освещение — установка и настройка источников света;

4)анимация — описание изменения объектов во времени (изменение положения, углов поворота, свойств);

5)съёмка — установка камер (выбор точек съёмки), перемещение камер по сцене;

6)рендеринг (визуализация) — построение фотореалистичного изображения или анимации.

Среди профессиональных программ ЗD-моделирования наиболее популярны продукты фирмы Autodesk (www.autodesk.com): 3D Studio МАХ, Maya и AutoCAD, а также программа Cinema4D фирмы MAXON (www.maxon.net). Мы будем ис­пользовать для иллюстраций свободно распространяемый пакет ; Blender (www.blender.org), версии которого существуют для операционных систем Windows, Linux, Mac OS и других,

Для работы с программами трёхмерной графики нужен компьютер с мощным процессором и большим объёмом оперативной и дисковой памяти. Построение качественных фотореалистичных изображений (которые выглядят как фотографии) занимает огромное время, иногда несколько часов расчётов на один кадр.Во многих программах есть возможность сетевого рендеринга, когда для рассчёта изображения используются мощности несколь­ких компьютеров, объединённых в сеть (англ. render farm — рен-дер-фермы).

Проекции

Хотя программы трёхмерной графики предназначены для со­здания трёхмерных моделей объектов, пользователь видит только плоское (двухмерное) изображение на мониторе или бумажном от­печатке, т. е. проекцию. На рисунке 9.1 показаны четыре проек­ции модели головы обезьянки Сюзанны (объект Monkey), которая включена в набор стандартных объектов программы Blender. Вы видите три стандартные проекции этой модели (виды спереди, сверху и справа) и одну произвольную проекцию (проекцию поль­зователя)

Рис. 9.1

Программа Blender позволяет видеть четыре проекции одно­временно или оставить только одну проекцию пользователя, кото­рая занимает всю рабочую область. Для переключения между этими режимами используется комбинация клавиш Ctrl+Alt+Q.

Обычно работают с одним видом, который занимает всю рабо­чую часть окна. Для быстрого перехода к стандартным проекциям (видам спереди, сверху, справа и др.) используется меню Вид (View) или дополнительная цифровая клавиатура (англ. numpad), расположенная в правой части стандартной клавиатуры (рис. 9.2)

Далее для обозначения этих клавиш будем использовать «приставку» Num., например Numl обозначает клавишу «1» на дополнительной цифровой клавиатуре.

Существует два типа проекций: перспективные и ортогональные (их также называют прямоугольные или ортографические). На рисунке 9.3 показаны перспективная и ортогональная проекций куба.

Наш взгляд привык к перспективе: удалённые предметы кажутся меньше по размеру, параллельные линии «сходятся» в бесконечной точке (вспомните, как выглядит уходящее вдаль шоссе). Однако при трёхмерном моделировании такие проекции не совсем удобны, потому что искажают форму и размеры объектов.

Для ортогональной проекции все по-другому: размеры не зависят от расстояния до предмета, а параллельные грани остаются параллельными и на проекции. Ортогональные проекции очень полезны, потому что делают трёхмерную сцену проще и позволяют оценить истинные размеры объектов.

В редакторе Blender тип проекции показывается в левом верхнем углу рабочего окна. Например, надпись Top Ortho означает «вид сверху» (англ. top view), ортогональная проекция (англ. orthograpgic). Надпись Front Persp означает «вид спереди» (англ. front view), перспективная проекция (англ. perspective).

Чтобы переключиться с ортогональной проекции на перспективную или наоборот, нужно нажать кнопку «5» на дополнительной клавиатуре (Num5).

Вращая колесико мыши, пользователь может уменьшать и увеличивать масштаб изображения в окне, над которым находится курсор мыши (размеры самого объекта при этом не меняются). Для вращения произвольной проекции нужно перемещать мышь при нажатой средней кнопке (колесике). Нажав одновременно колесико мыши и клавишу Shift, можно перемещать изображение в окне, не поворачивая его.

Для вращения и перемещения удобно использовать клавиши-стрелки на дополнительной цифровой клавиатуре (Num2, Num4, Numfi и NumS): в обычном режиме они вращают сцену, а при нажатой клавише Ctrl перемещают точку наблюдения.

Вопросы и задания

1 .Как строится двумерное изображение трёхмерной модели?

2.В каких задачах необходимо использование трёхмерных моделей?

3.Как вы думаете, в каком виде хранится в памяти информация о трёхмерных объектах?

4.На каких этапах создания изображений в программах 3D-моделирования используется векторная и растровая графика?

5.Объясните, что такое моделирование, текстурирование, рендеринг.

6.Вспомните, что такое свободное программное обеспечение. В чём его достоинства и недостатки?

7.Что такое кроссплатформенное программное обеспечение? Относится ли программа Blender к этому типу программ?

8.Объясните, почему для работы с программами трёхмерной графики требуются мощные компьютеры.

9.Что такое проекции? Зачем они нужны?

10. Чем отличаются перспективные и ортогональные проекции? Когда их удобно использовать?