Grafika 3D

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Grafika trójwymiarowa)
Skocz do: nawigacja, szukaj
Prosta animacja w grafice trójwymiarowej

Grafika 3D, grafika trójwymiarowa – dziedzina grafiki komputerowej zajmująca się głównie wizualizacją obiektów trójwymiarowych.

Geometria[edytuj]

Polygon face.jpg

Ribo-Voxels.png

Torus2.png
Trzy sposoby reprezentacji geometrii obiektów trójwymiarowych, kolejno: siatka wielokątów, woksele i opis matematyczny

Geometria obiektów trójwymiarowych może być reprezentowana na kilka sposobów:

  • siatka wielokątów – obiekt jest budowany z płaskich wielokątów (najczęściej trójkątów lub czworokątów), które mają wspólne wierzchołki i krawędzie. W ten sposób można tworzyć proste bryły, albo – jeśli siatka jest dostatecznie gęsta – dobrze przybliżać skomplikowane obiekty.
  • woksele (voxele) – obiekt jest budowany z elementarnych sześcianów (trójwymiarowych pikseli). Tego rodzaju reprezentacja jest rozpowszechniona szczególnie w diagnostyce medycznej, gdzie uzyskuje się szereg przekrojów (obrazów bitmapowych) ciała pacjenta i na ich podstawie tworzy trójwymiarowe modele.
  • opis matematyczny – obiekty są określone równaniami. Mogą to być kule, płaszczyzny oraz szczególnie użyteczne i powszechnie stosowane powierzchnie parametryczne (płaty powierzchni), na przykład płaty Béziera, Hermite'a, czy NURBS. Istnieją programy, które swoje funkcjonowanie opierają głównie o właśnie taki sposób modelowania; zaliczyć do nich można POV-Ray.

Dane trójwymiarowe mogą zostać pobrane ze świata rzeczywistego, między innymi za pomocą wspomnianych tomografów komputerowych, skanerów trójwymiarowych, ze zdjęć satelitarnych (topografia terenów) a także ze zdjęć stereoskopowych. W animacji komputerowej wykorzystywana jest również technika motion capture, która polega na nagrywaniu ruchu człowieka – czujniki położenia umieszczane są w kluczowych punktach ciała: na rękach, nogach, głowie, karku. Przeniesienie nagranych w ten sposób ruchów na sztuczne postacie nadaje ich ruchom naturalność, trudną do uzyskania klasycznymi metodami animacji.

Obiekty trójwymiarowe mogą również zostać stworzone przez człowieka w procesie modelowania.

Duże znaczenie mają też techniki komputerowe, które automatycznie modelują skomplikowane efekty (dym, ogień, śnieg, deszcz) i obiekty (chmury, góry, drzewa).

Wizualizacja[edytuj]

Ponieważ obecnie wszystkie urządzenia komputerowe wyświetlają dwuwymiarowe obrazy, dlatego z grafiką trójwymiarową związana jest bezpośrednio geometria wykreślna. Głównie w zastosowaniach inżynierskich (CAD) sceny trójwymiarowe przedstawione są w rzucie prostokątnym, natomiast w pozostałych w rzucie perspektywicznym.

Efekt wizualny rzutu perspektywicznego (skrót perspektywiczny) jest bardzo podobny do efektów obserwowanych w fotografii oraz w układzie wzrokowym człowieka. Przez analogię do aparatu fotograficznego (lub kamery), w grafice trójwymiarowej istnieje pojęcie wirtualnej kamery, która tworzy „zdjęcie” sceny istniejącej w pamięci komputera. Kamerę wirtualną charakteryzują następujące parametry: położenie, kierunek w jakim jest skierowana oraz ogniskowa – mają one swoje odbicie w matematycznym modelu kamery.

Obrazy trójwymiarowe są tworzone głównie w technice rastrowej, wektorowo przedstawia się co najwyżej obrysy, szkice itp.

Głównym problemem w obu przypadkach jest wyznaczanie powierzchni widocznych, a więc selekcja tych obiektów (lub ich części), które są widoczne w danym rzucie. Robi się to na przykład za pomocą bufora Z, sortowania względem głębokości, śledzenia promieni.

Ponadto przeważnie obserwujemy niewielki fragment sceny, a dodatkowo scena może składać się z wielkiej liczby obiektów (sięgającej nawet setek milionów), dlatego równie ważne jest określenie, które obiekty mogą być widoczne, aby przetwarzać tylko te dane, które naprawdę są potrzebne.

Realizm[edytuj]

Odbicie i załamanie światła, miękkie cienie
Podpowierzchniowe rozpraszanie światła w obiekcie

Realizm obrazów generowanych przez komputer jest w większości zastosowań bardzo ważny. Aby go uzyskać modeluje się oświetlenie: definiuje światła, powierzchniom obiektów trójwymiarowych nadaje kolor i fakturę, określa cienie rzucane przez obiekty, odbicia zwierciadlane, załamanie i rozpraszanie światła i tym podobne.

Metody, które pozwalają na bardzo dokładne przedstawienie scen trójwymiarowych są również bardzo kosztowne obliczeniowo (np. śledzenie promieni, metoda energetyczna). Z kolei szybkie, przybliżone metody cieniowania obiektów, tworzenia cieni, odbić zwierciadlanych są z powodzeniem wykorzystywane w grach komputerowych. Bardzo popularną techniką uzyskiwania realizmu w scenie jest obliczanie oświetlenia na każdy piksel z osobna. Jest to operacja kosztowna obliczeniowo, jednak dzięki wspomaganiu sprzętowemu (pixel shader) możliwa do uzyskania animacji w czasie rzeczywistym.

W przypadku animacji ważne jest także aby ruch obiektów, był możliwie najbardziej zbliżony do zachowania przedmiotów w świecie rzeczywistym.

Sprzęt[edytuj]

Współczesne karty graficzne potrafią wyświetlać obiekty trójwymiarowe zbudowane z wielokątów, wykonując dużą część obliczeń związanych z generowaniem grafiki 3D:

Współczesne GPU pozwalają dzięki shaderom oprogramować praktycznie dowolne efekty, zarówno na poziomie wierzchołków, jak i pojedynczych pikseli.

Oprogramowanie[edytuj]

Do tworzenia grafiki 3D zostało stworzonych wiele programów na różne platformy sprzętowe i systemy operacyjne. Zwykle programy te dzieli się na modelery (tworzenie i obróbka scen trójwymiarowych) oraz renderery (generowanie trójwymiarowego obrazu lub animacji, wraz z nakładaniem tekstur, efektami świetlnymi itp.).

Drukowanie 3D[edytuj]

 Osobny artykuł: drukowanie przestrzenne.

Drukowanie w trzech wymiarach jest możliwe od 1984 roku, a opatentowane zostało w 1986 roku.

Prototyp pierwszej drukarki 3D powstał w 2006 roku, a następnie kolejne modele drukarek były tworzone z myślą o użytkowaniu w domu. Na obecną chwilę główną przeszkodą w rozpowszechnieniu tego sprzętu jest koszt, z którym wiąże się zakup, montaż i materiały umożliwiające druk.

Przy pomocy drukarki 3D można wytworzyć:

  • gotowe produkty z tworzywa sztucznego
  • rzeczy, do których produkcji można wykorzystać topliwe materiały
  • części do innych przedmiotów
  • prototypy urządzeń
  • wszelkiego rodzaju formy.