A szintézisét háromdimenziós képek, gyakran rövidítve 3D (3D három méretei: x , y , z , a három tengely, amelyek alkotják a ortonormális keretet a hivatkozási számára geometria a térben ) egy sor technikák, különösen származó CAD amely lehetővé teszi az objektumok perspektivikus ábrázolását a számítógép monitorán . Jelenleg a filmiparban a digitális művészetben széles körben használják , a Pixar , a Disney , a DreamWorks , a Blue Sky , az Illumination és az ILM stúdiók kezdeményezésére , 1992 óta számos videojátékban . Nem szabad összetéveszteni a megkönnyebbüléssel vagy a sztereoszkóppal kapcsolatos 3D-s kifejezésekkel .
A háromdimenziós képek megnevezése a reneszánsz óta perspektivikus rajznak vagy festészetnek nevezett új név .
Íme egy példa Piero della Francesca által 1475-ben készített perspektivikus nézetre . Néhány festő a perspektívát , az első 3D-s rajzgépet használja képi kompozícióihoz.
A különbség az, hogy a számítógépek megjelenése előtt a perspektívát közvetlenül a projektív geometriából levezetett grafikai módszerekkel nyerték . Jelenleg a terveket digitálisan, háromdimenziós digitális adatok alapján számítják ki. Ez lehetővé teszi a vetítési központ és annak különböző paramétereinek egyszerű megváltoztatását. Különösen lehetséges a vetítéssorozatok kiszámítása a vetítési pont mozgatásával, és ezáltal animációk készítése .
A jelenlegi számítógépes szintézis képek ugyanazon a síkra vetítés elvén alapulnak és elválaszthatatlanok a számítástörténettől. A számítógéppel készített képek az 1950-es évek elején kezdődtek az Egyesült Államokban, és kutatásra, különösen az egyetemi kutatásra voltak fenntartva. Ivan Sutherland, a Massachusettsi Műszaki Intézet (MIT) ötletét katódsugárcsőből és könnyű tollrendszerből készítették a légierő légiforgalmi irányításához, majd 1961- ben keresztet tettek a képernyőre, hogy jelezzék a az optikai ceruzát. Ezután gyakoroltuk a 2D-s képet, majd a 3D-s képet, ami drágább a számítási idő és anyagilag.
Aztán az egyetemek háromdimenziós képeket is felhasználtak, és 1967-ben az Utah-i Egyetem erre a területre szakosodott, különösképpen David C. Evans és Ivan Sutherland professzorok, akik különféle tárgyakat, például az autót próbáltak meg modellezni. ”Ivan Sutherland és aki 1968-ban megalapította az Evans & Sutherland céget. Aztán 1970- ben a Xerox létrehozta a PARC-t ( Palo Alto Kutatóközpont ), amely nagyon szabadon fog működni, mivel kereskedelmi célok nélkül; sok felfedezést eredményez, amelyeket a Xerox nem lesz képes kihasználni. Az 1975 egyik leghíresebb képeit számítógépes grafika jött létre, a teáskanna, amely azóta klasszikus vizsgálati tárgy 3D alkalmazásokhoz. A mintaként szolgáló teáskanna most a Boston Computer Museumban nyugszik, egy számítógép közelében, amely a háromdimenziós képet reprodukálja.
Az 1980-as évekig kevesen keresték meg ezt a területet az anyag költségei miatt. De a megjelenése személyi számítógépek, mint a Xerox csillag , az IBM-PC a 1981 és Apple Macintosh a 1984 , demokratizálni a 3D-s tanulmányi és gyártási ... technológia eredménye kiváló szimuláció siklófejjel vagy rakétákat NASA , vagy tájak és arcok.
De ez volt az 1990-es években , hogy a számítógép által generált képeket és 3D vált széles körben elérhető, és fejleszteni, különösen az érkezés erősebb lehetővé tevő berendezések valós időben , így 3D-s kártyák a Silicon Graphics a High-end munkaállomások és később a fogyasztói Amiga és 3D-s kártyákkal rendelkező számítógépek , mint például a 3DFX, vagy játékkonzolokban, például a PlayStation , a Dreamcast . Azóta a 3D-gyorsítás a számítógépes hardver szerves része.
A háromdimenziós képek szintézise vektorteret használ . Ez a tér a derékszögű tengelyek három dimenziójára oszlik, ezeket általában X , Y és Z elnevezéssel .
Vegyen egy referenciapontot egy szobában, és határozza meg a bal-jobb (X) , az elülső-hátsó (Y) és a fel-le (Z) irányokat . Ahhoz, hogy az origótól egy adott pontig menjen, meg kell tennie:
Ha be tudjuk permetezni az elmozdulás sorrendjét, akkor ez a ( x , y , z ) kombináció egyedi: a darab egy pontját egyetlen triplett, a triplet pedig a rész egyetlen pontját képviseli (lásd: Regisztráció a síkban és az űrben , derékszögű koordinátarendszer és analitikai geometria ). Ezt az értékhármast a pont koordinátáinak nevezzük.
A referenciapontot „origónak” hívják, és általában O-ra írják , ez megfelel a hármasnak (0, 0, 0).
Mozgó értéket a balra egyenértékű mozog az érték - a jobbra. Egy b érték visszalépése megegyezik a továbblépéssel - b . A c értékkel lefelé haladás egyenértékű a c értékkel történő felfelé haladással . (Lásd a Relatív egész szám című cikket .)
Vegyünk most egy egyszerű kötetet , egy poliédert . Ez a sokszög a csúcsainak koordinátáival határozható meg. Értéksor [( x 1 , y 1 , z 1 ) adataival ; ( X 2 , y 2 , z 2 ); …; ( x n , y n , z n )], meghatározzuk ezt a kötetet.
Vegyük például a nyolc pontot:
Ez a nyolc pont határozza meg az csúcsai egy kocka , amelynek a széle hossza 8 és amelynek középpontja O .
Így egy kockát egy értékkészlettel ábrázoltunk. Ezt a teret háromdimenziós vagy „virtuális” mátrixnak is nevezik a 3D képalkotás világában.
A 3D képszintézis lényegében két szakaszra oszlik:
Ezen szakaszok mindegyikében nagyszámú technika létezik. Bár elméletileg a modellezési és a renderelési technikák függetlenek, magától értetődik, hogy a renderelésnek képesnek kell lennie a modellezett adatok kiaknázására, és nagyon gyakran a modellezési technika szorosan társul a renderelési technikához.
A modellezés abból áll, hogy a számítógép tárol egy sor geometriai adatot és grafikus jellemzőt, amely lehetővé teszi a modell ábrázolását . Ezt a modellt általában 3D-s jelenetnek hívják , az angol jelenet után, ami „nézetet” jelent, ezért azt mondjuk, hogy „3D nézet”. További információkért lásd a dedikált cikket:
A modellezés típusaiA modellezési folyamat lehet automatikus, akár egy 3D-s szkenner esetében , ahol a program számítógépes ábrázolást készít a világ valós tárgyából, vagy manuálisan a 3D-szerkesztő szoftver segítségével. Ez utóbbi esetben egy grafikus felelős a modell elkészítéséért. Ezek a szoftverek úgynevezett modellezők után az angol modellező .
A legismertebb és legelterjedtebb szoftverek közé tartozik a 3D Studio Max , a Maya , az XSI , a LightWave , a Cinema4D, a 3D Turbo, a Modo és a nyílt forráskódú szoftver, a Blender .
A megjelenítést viszont több szakaszra bontják:
Előfordul, hogy ezeknek a fázisoknak egy részét egyszerre hajtják végre (például 3D térképeken)
3d rendering motorAz így számokkal definiált objektumok ekkor megrajzolhatók a képernyőn; Az értékek hármasa ( x , y , z ) a rajz pontjaivá alakul. Ez a megjelenítés általában a lineáris perspektíva fogalmát használja : minél tovább van az objektum, annál kisebb rajzolódik; ezt a folyamatot néha „valódi 3D-nek” vagy „természetes látásnak” nevezik.
A pontok helyzete könnyen megszerezhető. A mátrix szorzata koordinátaváltást hajt végre olyan koordináta- rendszerrel, amelynek kiindulópontja a nézőpont, a z ' tengely a fő irány, merőleges a megjelenítési felületre, a másik két tengely pedig x' és y ' párhuzamos a renderelt felület szélessége és magassága. Egy pont szorzat a nézőpont és a megjelenítési felület közötti távolság és a z ' mélység tengelyén lévő méret hányadosa alapján adja vissza a megjelenítési sík összes pontját.
Az axonometrikus perspektíva , az izometrikus vetület és az ortogonális vetületek (különösen az izometrikus perspektíva , lásd: Leíró geometria ) a végtelen látótávolság lineáris perspektívája. Az objektum mérete nem változik a távolságtól; a távolságot egy elmozdulás képviseli az ábra síkjában. Mátrixszámítással is megkapja.
A renderelésnek általában meg kell határoznia, hogy mely részek láthatók és melyek rejtettek. A 3D képszintézis technikái először megkülönböztették a jelenet 3D terében működő rejtett arcok kiszámításának algoritmusait és a kép 2D térében (pixelekben) működő fotorealisztikus renderelés algoritmusait . Az aktuális renderelési algoritmusok mindkét funkciót egyszerre látják el.
Más renderelési algoritmusok figyelembe veszik azt a tényt, hogy a részletek és a kontrasztok elhalványulnak a távolságtól ( légköri perspektíva ).
RajzAz ilyen típusú perspektívákkal társítunk egy rajzfajtát:
Kiegészítő textúra leképezési technikákat alkalmaznak a valósághűbb effektusok megjelenítésére anélkül, hogy a 3D modellek bonyolultabbá válnának. Például :
Ezekkel a technikákkal szűrési problémák jelennek meg, ami szükséges a műtárgyak megszüntetéséhez.
Végül van egy 2D-s képünk. Ezt a képet nagyon jól meg lehetett volna rajzolni közvetlenül 2D-ben, de kiszámították, és a 3D modellből készítették.
A 3D világa a számítógépes grafikában valóban matematikailag valós. De a mechanizmus itt megfordult, mint egy rajzoló, aki minden szögből faragott alkotást reprodukál a kartonon. A háromdimenziós jelenet rendereléséből származó kétdimenziós kép nem más, mint ennek a „drótváz” virtuális világnak a mellékterméke. Ennek a technológiának a lehetőségei végtelenek, ahogyan a rajzművész végtelen sokféle szögből és paraméterből képes reprodukálni a valóságot.
A klasszikus háromdimenziós képpel ellentétben egy térbeli (vagy térfogatú) háromdimenziós kép értéket ad a tér minden pontjának (mátrixszámítások). Ezek mind kapcsolódnak (vagy sem) egymáshoz, hogy sokszögeket képezzenek , amelyeket általában facets-nek neveznek. Ezek az egymással egymás után összekapcsolt aspektusok végül alkotják a kérdéses 3D objektumot. Ezen kívül más pontok is megtalálhatók az objektum belsejében, éppen azok, amelyeknek további speciális funkciók tulajdoníthatók, így a tárgy a térfogat mellett tömeg benyomást kelt (például: Szilárd tárgy / Üreges tárgy).
A megkönnyebbülés látása abból a tényből fakad, hogy a két szem eltolásával a két szem egy tárgyat nem ugyanazon a helyen lát ( parallaxis különbség ). A számítógép két különböző képet képes előállítani, az egyiket a bal, a másikat a jobb szem látja, és ezáltal megkönnyebbülés benyomását kelti.
A "mesterséges dombormű" létrehozásának egyszerű módja egyetlen kép létrehozása, az úgynevezett anaglif , de mindkét szem információját két színben tartalmazza, általában zöld és piros színben. A néző szemüvegén zöld szűrő van az egyik oldalon (ez a szem csak piros információt lát, amely feketén jelenik meg, lásd: Szubtraktív szintézis ), a másik oldalán pedig egy piros szűrőt (ez a szem csak zöldet lát, amely szintén fekete színben jelenik meg) ).
Dolgozhat egyetlen kiinduló képpel is, a színek megfontolt elosztásával. A fent leírt szemüvegek eltúlozzák ezeken a különleges képeken a vizuális hatást, zöld színnel és a díszlet hátterét piros színnel az előtérbe helyezve a kép alanyát. Ez a sztereoszkópos mélység illúzióját, valamint megkönnyebbülést ad.
Semmi sem akadályozza meg a jelenlegi processzorokat abban, hogy néhány perc alatt, akár néhány másodperc alatt is kiszámítsák az egyszerű hologramokat , amelyeket jó felbontású filmek nyűgöznek le. A folyamat tulajdonképpen az 1970-es évek eleje óta tart (az IBM Systems Journal egy ilyen számított hologramra adott példát az adott évtized egyik kiadásában). A folyamatot akkor nem követték költség okokból, de ma újra megjelenhet.
Bár a technológia hasonló a két esetben ( mozi és videojáték ), figyelemre méltó különbségek vannak. A videojátékokban rejlő valós idejű korlát nyilvánvalóan nem létezik a moziban. Ezért a moziban használt részletesebb szintetikus képeket egyesével előre kiszámítják, ami sokkal jobb vizuális renderelést tesz lehetővé. Ezért fontos különbséget tenni a valós idejű 3D és az előre kiszámított 3D között. A mozi és a videojátékok nem az egyetlen összefüggései a 3D képszintézis használatának. Más kontextusok, különösen a digitális aspektus modell hibrid megoldásokat alkalmaznak, kompromisszumokat kötnek a valós idejű 3D és az előre kiszámított 3D között, amelyek egyes esetekben lehetővé teszik az előre kiszámított 3D kép szintéziséhez közeli vizuális renderelés elérését, miközben kihasználják a a valós idejű 3D előnyei.
A valós idejű 3D-t valójában a videojátékokban használják, de számos más alkalmazása is van: építészeti vizualizáció, orvosi vizualizáció, különféle szimulációk, képernyővédők ... Az ilyen 3D-ben rejlő technikai kihívás a lehető legjobb minőségű kép megszerzése, miközben a folyékony animáció, amely a kijelző számításainak lehető legnagyobb optimalizálását igényli. Kezdetben az összes számítás a számítógépek központi processzorára (CPU) ment, de a képek minőségének javításához szükséges egyre nagyobb energia a gyártókat a 3D-re szakosodott PCI ( Peripheral Component Interconnect ) kártyák forgalomba hozatalára késztette . Az első PC-n ( személyi számítógépen ) elérhető Voodoo volt a 3DFX-től . Ma a grafikus kártyák a 3D gyorsítási funkciók túlnyomó részét beépítik.
A 3D-s számítástechnikának szentelt processzorok használata szükségessé tette a szabványos API-k ( alkalmazás-programozási felületek ) meghatározását, lehetővé téve a fejlesztők számára, hogy a gyorsított funkciókhoz könnyen hozzáférjenek, a gyártók pedig beépítsék azokat a processzorokba. A két legelterjedtebb 3D API az OpenGL és a Direct3D ( DirectX komponens ), a Microsoft által kifejlesztett újabb versenytárs, de fenntartva a Windows rendszerekre, míg az OpenGL platformokon átívelő. A Vulkan API az OpenGL leszármazottja , amely 2016-ban készült el és egy munkacsoport eredményeként jött össze a 3D hardver fő szereplői ( AMD , Intel , Nvidia ), a Khronos csoport . Útban van ahhoz, hogy referenciamutatóvá váljon, mivel alacsony szintű grafikus processzorokkal ( GPU-kkal ) való együttműködésre tervezték , optimalizálva az erőforrásaikhoz (memória, utasításkészlet ) való hozzáférést. A Vulkan- nak lehetővé kell tennie a teljesítmény és a fejlesztők számára kínált lehetőségek egyértelmű javítását anélkül, hogy hardvert kellene cserélnie, a módosítás szoftveres szinten történik ( a rendszer grafikus illesztőprogramjainak frissítésével ). A Samsung Galaxy S7 okostelefon volt az első olyan mobil eszköz, amely hozzáférést kínált a Vulkan API-hoz , és az Unreal Engine 4 3D használatával készült bemutató a valós idejű 3D-s mobil határait feszegette. Mivel az Nvidia Shield Android táblagépeket is frissítették a Vulkan támogatással .
Az előre kiszámított 3D-t képek, speciális effektusok és animációs filmek készítéséhez használják. Legfőbb előnye, hogy lehetővé teszi a nagyon jó képminőség és a valósághűség elérését. A kép akkor minősül "fotorealisztikusnak", ha annak részletessége nagyon fontos. Ezután összekeverhető egy fényképpel. 2001-ben a Final Fantasy: Lélek teremtményei az első játékfilm, amelynek ambíciója a fotorealizmus.
Az előre kiszámított 3D nem tesz lehetővé interaktivitást. A néző nem léphet fel a 3D jelenetben. Különösen moziban vagy televízióban használják.
A számítási idők aggodalma létezik, de teljesen más skálán, mint a valós idejű 3D. Valóban, az utóbbi esetben a folyékony animáció megköveteli, hogy másodpercenként több mint húsz képet lehessen kiszámítani, míg az előre kiszámított 3D-ben a kép kiszámítása órákig, akár napokig is eltarthat. Miután az összes képet kiszámolta, a kívánt frekvenciával vetítik (például 24 kép / másodperc , például 35 mm-es film esetén). Gyakran az úgynevezett számítási gazdaságban keletkeznek . Ez egy nagy számítógép-hálózat, amely össze van kötve a számítási teljesítmény megsokszorozásával. Mivel az animáció minden másodpercéhez közel 30 kép szükséges, ez azt jelenti, hogy 15 perc animáció esetén a hálózatnak több mint 27 000 képet kell létrehoznia.
A szoftver kiszámítja ezeket a képeket, a "renderelők" (az angol nyelvű renderelők ) számtalan. Az évek során a fogyasztói szoftverek jelentősen javultak a gabona finomítása és a tervezők által elképzelt valós környezeti hatások közvetítése érdekében. Másrészt mindig szükség van olyan szakosodott cégekre, amelyek művészetei speciális ismeretekkel rendelkeznek a modellezés, a világítás és az animáció terén. A másik leghíresebb szoftver a RenderMan , a Mental Ray , a finalRender , a Brazil r / s , a V-Ray .
A 3D-s számítás népszerű módszere a "sugárkövetés" ( sugárkövetés ). Ebben a technikában egy fénysugár "távozik" a képernyő minden pontjáról, és "találkozik" a 3D jelenetben szétszórt tárgyakkal, és "visszaverődik" rajtuk.
Az előre kiszámított 3D káprázatos siker a nagyközönség számára, különösen a moziban történő terjesztésének köszönhetően. A Pixar animációs stúdió az 1980-as évek óta kizárólag CGI-filmek készítésével foglalkozik . A területen úttörőnek ismerik el. Különösen a RenderMan rendszert fejlesztette ki , amelyet ma a leghatékonyabbnak tartanak, a stúdió összes produkciójának, valamint a játékfilmek számítógéppel generált képeinek túlnyomó többségéhez (lásd a számítógépes filmeket). generált képek és képszintézis ).
Az építészet, a belsőépítészet és a reklámterület egyre inkább ezeket a módszereket használja a jövőbeli projektek értékesítésének megkönnyítésére.
A Hybrid 3D célja a valós idejű 3D fotórealizmusának javítása azáltal, hogy előre kiszámítja (és így lefagyasztja) bizonyos paramétereket, amelyek kiszámítása költséges, de amelyek minősége elengedhetetlen a kép realizmusához.
A világítás az egyik ilyen drága paraméter. A valós idejű 3D-ben feláldozzák: nincs vagy kevés vetett árnyék, nincs globális megvilágítás. A jó megvilágítás azonban nagymértékben növeli a kép realizmusát, és gyakran ez teszi a nagy különbséget a valós idejű 3D és az előre kiszámított 3D között. Ennek a beállításnak a befagyasztása problémát okozhat, már nem lehet valós időben megváltoztatni, a világítás már nem lehet teljesen dinamikus. A valós idejű 3D használatának azonban számos olyan összefüggése van, amelyben nem feltétlenül szükséges a teljesen dinamikus megvilágítás, és ezért megengedhetjük magunknak, hogy ezt a világítást lefagyasszuk.
Ezután kiszámítják a világítást kódoló világítási textúrákat ( fénytérképeket ). Ez a számítás viszonylag hosszú (előre kiszámítva, nem valós időben történik), de miután elkészült, a világítási információk azonnal elérhetők. A renderelés minősége ezután megközelítheti azt, amit az előre kiszámított 3D-ben kapunk, miközben interaktivitást biztosít az összes többi paraméter beállításában.
Manapság a számítógépes grafikát használják az ingatlaniparban. Céljuk az ingatlanobjektumok népszerűsítése, képek beszúrásával prospektusokba vagy weboldalakra. Emellett promóciós 3D-s filmek készítéséhez, vezetett túrákhoz, valamint 360 ° -os virtuális túrák létrehozásában is részt vesznek (virtuális valóság headsetek használatával).
Ugyanakkor az online piactérek ( kereskedői oldalak ) térnyerésével a beszállítók egyre inkább szintetikus képeket használnak megkülönböztetésükhöz. Így termékeiket fotorealisztikus képekbe rendezik. Ennek a módszernek az az előnye, hogy sok látványt készít, sokkal előnyösebb költséggel, mint egy fotózás.