Глава 9 Трёхмерная графика

§66 Введение

Что такое трёхмерная графика?

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.

• ---

  Трёхмерная графика (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;

• телевизионная реклама;

• интерактивные игры.

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?

Подготовьте сообщение

«Программы для 3D-моделирования»

 

ВЕРНУТЬСЯ К ГЛАВЕ

Перейти к задачам