Компьютерная графика. Основы трехмерной графики

1. Компьютерная графика

О СНОВЫ ТРЕХМЕРНОЙ
ГРАФИКИ

2. Понятие трехмерного моделирования

Трехмерное моделирование - это процесс создания виртуальных
трехмерных объектов в компьютерной графике.
Объемность
• Трехмерные модели имеют объем, что означает, что они могут быть
просмотрены с различных углов и иметь разные точки обзора. Это
позволяет создавать более реалистичные и детализированные
изображения и анимации.
Реалистичность
• Трехмерное моделирование позволяет создавать объекты, которые
могут быть визуализированы с высокой степенью реализма, с
имитацией физических свойств материалов, освещения и тени.
Многообразие форм
и стилей
• С помощью трехмерного моделирования можно создавать объекты
различных форм, размеров и стилей, начиная от простых
геометрических фигур до сложных органических форм и
архитектурных конструкций.
Использование в
различных областях
• Широко применяется в различных областях, таких как анимация
и
визуализация,
игровая
индустрия,
архитектурное
проектирование, инженерное моделирование, медицинская
визуализация и многое другое.

3. Понятие трехмерного моделирования

Процесс трехмерного моделирования включает в себя использование
специализированного программного обеспечения, такого как:
Blender
Autodesk Maya
3ds Max
Cinema 4D и другие
для создания, редактирования и анимации трехмерных объектов.

4. Иллюминация и текстурирование

Освещение в трехмерной графике:
Амбиентное освещение
• Это равномерное освещение всей сцены, не зависящее от направления
источника света. Оно создает общий фоновый свет, но может придать
изображению плоский вид.
Направленное освещение
• Это освещение, идущее из определенного направления, создавая четкие тени и
контрастные зоны света и тени.
Точечное освещение
• Моделирует свет, исходящий от точечного источника, что создает мягкие тени и
отражения.
Окружающее освещение
• Это освещение, которое имитирует свет, отражающийся от окружающих
поверхностей, что помогает создать более реалистичные и мягкие тени.

5. Иллюминация и текстурирование

Техники текстурирования 3D-моделей:
UV-развертка
•Это процесс нанесения текстур на поверхность 3D-модели путем
раскрытия ее поверхности в плоскость (UV-развертка), чтобы текстура
могла быть наложена на правильные места.
Процедурное текстурирование
•Это создание текстур на основе математических алгоритмов, что
позволяет автоматизировать процесс создания сложных текстур и
изменять их динамически.
Фотографическое текстурирование
•Это использование реальных изображений или фотографий для
текстурирования объектов, что позволяет создавать более реалистичные
сцены.

6. Анимация и рендеринг

Анимация объектов в трехмерной среде представляет собой процесс придания
движения трехмерным моделям.
Это может быть движение объектов, изменение их формы, взаимодействие между
объектами и т. д. Основные принципы анимации включают управление
ключевыми кадрами (keyframes), определение пути движения, настройку
временных кривых и редактирование параметров анимации для достижения
желаемого эффекта.
Типы анимации:
1) Ключевые кадры - это кадры, в которых определены изменения позиции,
вращения, масштаба и других параметров объекта. Программа автоматически
интерполирует между ключевыми кадрами, чтобы создать плавное движение.
2) Кривые анимации - это кривые, которые определяют изменение параметров
объекта во времени, такие как изменение скорости или ускорения движения.
3) Инвертированные кинематические цепи - это метод анимации, который
позволяет контролировать движение сложных объектов, таких как персонажи,
через управление их конечными частями (кости) вместо непосредственного
управления каждой частью отдельно.

7. Анимация и рендеринг

Рендерер - это программа или модуль, который преобразует трехмерные
сцены и объекты в реалистичные изображения или видео. Выбор подходящего
рендерера зависит от требуемого качества, стиля и времени рендеринга.
Настройка параметров рендеринга включает выбор разрешения
изображения, настройку освещения, материалов, теней, обработки изображения и
других параметров для достижения желаемого визуального эффекта.
Оптимизация времени рендеринга - это процесс оптимизации параметров
рендеринга и настройки сцены с целью сокращения времени, необходимого для
генерации изображения. Включает в себя использование упрощенных моделей,
адаптивное сглаживание, распределенный рендеринг и другие методы
оптимизации.

8. Компьютерная графика

О СНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ

9. Виды моделирования

Полигональное моделирование. Объекты создаются из множества многоугольников
(полигонов), таких как треугольники, квадраты и другие. Модель представляется в виде сетки,
состоящей из вершин, ребер и граней.
Субдивизионное моделирование. Этот метод также использует полигоны, но основная
идея заключается в том, чтобы начать с простой сетки и последовательно разбивать полигоны
для получения более гладких форм. Он позволяет создавать объекты с высокой степенью
детализации и плавными поверхностями.
Сплайновое моделирование. Сплайны - это математические кривые, которые
используются для создания плавных кривых и поверхностей. В трехмерном моделировании
сплайны могут использоваться для создания объектов с органическими формами, такими как
автомобили, персонажи и т. д.
Твердотельное моделирование. В этом методе объекты моделируются как
непроницаемые твердые тела, состоящие из объемных элементов, таких как кубы, сферы,
цилиндры и т. д. Он используется в инженерном дизайне, архитектурном моделировании и
других областях, где важно сохранить интегритет и объем объекта.
Кривые и поверхности. Этот вид моделирования фокусируется на создании и
манипулировании кривыми и поверхностями, такими как NURBS (нелинейные рациональные
базисные сплайны), Безье-кривые, поверхности Безье и т. д. Он используется для создания
сложных геометрических форм и объектов.

10. Моделирование объектов и сцен

основные этапы, которые следует учитывать при моделировании объектов и сцен:
1.
Создание объектов. Включает в себя моделирование отдельных элементов, из которых будет
состоять сцена. Объекты могут быть представлены как простые формы (кубы, сферы, цилиндры)
или более сложные геометрические модели.
2.
Организация сцены. Этот этап включает в себя размещение и распределение созданных
объектов в пространстве сцены. Это может включать выбор положения, масштаба и ориентации
объектов, а также определение их взаимного расположения.
3.
Материалы и текстуры. Для придания объектам реалистичного вида важно назначить им
подходящие материалы и текстуры. Материалы определяют внешний вид объекта (например, его
цвет, отражение, прозрачность), а текстуры добавляют детали и уникальные характеристики
поверхности.
4.
Освещение. Освещение играет важную роль в создании атмосферы и настроения сцены.
Оно может быть реализовано с помощью различных типов источников света (например,
направленного света, точечных источников света, световых сетей), а также различных методов
расчета освещения (например, реалистического, стилизованного, динамического).
5.
Анимация и динамика. При необходимости объекты и элементы сцены могут быть
анимированы для создания движущихся или изменяющихся эффектов. Это может включать
анимацию движения объектов, изменение их формы или взаимодействие с окружающей средой.
Для реализации анимации могут использоваться различные техники, включая ключевые кадры,
кривые анимации и физическую симуляцию.

11. Принципы трёхмерного моделирования

Геометрическая
структура.
Одним из основных
принципов является
создание трехмерных
моделей на основе их
геометрической
структуры. Это
включает в себя
определение формы
объекта, его
размеров, пропорций
и расположения в
трехмерном
пространстве.
Моделирование
полигонами.
Один из наиболее
распространенных
подходов к
трехмерному
моделированию использование
полигонов (таких как
треугольники,
квадраты и другие
многогранники) для
представления
формы объектов.
Полигональное
моделирование
позволяет создавать
объекты с разной
степенью
детализации.
Текстурирование.
Текстуры
используются для
придания объектам
реалистичного вида и
добавления деталей
на их поверхности.
Принцип
текстурирования
включает в себя
нанесение
изображений
(текстур) на
поверхности
моделей, что
позволяет добавлять
текстуры, цвета,
детали и другие
эффекты.
Уровни
детализации.
В трехмерном
моделировании
важно учитывать
уровни детализации
объектов. Более
высокий уровень
детализации может
потребоваться для
близкого плана или
крупных объектов, в
то время как для
дальних объектов
или элементов фона
может быть
достаточно низкой
детализации.

12. Принципы трёхмерного моделирования

Иерархическая
структура.
Модели могут быть
организованы с
использованием
иерархической
структуры, где каждый
объект может содержать
в себе подобъекты или
части. Это позволяет
легко управлять
сложными сценами,
анимировать объекты и
создавать
взаимодействия между
ними.
Физическая
симуляция.
В некоторых случаях
требуется учитывать
физические свойства
объектов и их
взаимодействие с
окружающей средой.
Принцип физической
симуляции включает в
себя использование
физических моделей и
алгоритмов для
имитации поведения
объектов в трехмерном
пространстве.
Освещение и теневые
эффекты.
Освещение играет
важную роль в создании
реалистичного вида
сцен и объектов.
Принципы освещения
включают в себя
использование
различных источников
света, расчет
освещенности и
теневые эффекты,
чтобы создать
объемность и глубину
визуальных образов.

13. Компьютерная графика

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ
ОБЪЕКТОВ

14. Трехмерное моделирование в разных областях

В игровой индустрии. Трехмерное моделирование позволяет разработчикам игр
создавать виртуальные миры, которые являются основой для игрового процесса.
В архитектуре. Трехмерное моделирование помогает архитекторам создавать
визуализации будущих зданий и сооружений для представления заказчикам и
заинтересованным сторонам. Можно исследовать различные варианты
расположения помещений, освещения и дизайна интерьера, что помогает
оптимизировать планировку здания. Анализ конструктивных решений, таких как
прочность и устойчивость зданий.
В инженерии. Трехмерное моделирование позволяет инженерам создавать
виртуальные модели изделий и механизмов для анализа и тестирования перед
началом
производства.
Моделирование
позволяет
оптимизировать
производственные процессы (распределение оборудования и материалов на
производственной линии). Для симуляции работы различных систем, таких как
электронные или механические, что помогает предотвращать неисправности и
оптимизировать производственные процессы.

15. Техники построения трехмерных моделей

1.
Полигональное моделирование. Основана на создании моделей из множества многоугольников,
называемых полигонами. Полигоны могут быть треугольными, четырехугольными (квадратами)
или многоугольными. Широко используется в игровой индустрии и визуальных эффектах для
создания объектов, персонажей и сцен.
2.
Субдивизионное моделирование. Позволяет создавать гладкие и органичные формы путем
разделения начальной геометрии на более мелкие элементы и последующего сглаживания краев.
Часто используется для создания органичных объектов, таких как персонажи, животные и
кривые поверхности.
3.
NURBS моделирование (нерациональные базисные сплайны). NURBS являются математическими
кривыми и поверхностями, которые используются для создания гладких и точных моделей. Они
определяются с помощью контрольных точек и узлов, а не прямыми гранями или полигонами.
Часто используется в архитектуре, автомобильной промышленности, производстве кораблей и
аэрокосмической индустрии для создания точных и качественных поверхностей.
4.
Скульптинг. Имитирует работу с глиной или другими материалами, позволяя художнику
манипулировать моделью, добавляя и удаляя материал, как это делается в реальном мире.
Скульптинг используется для создания высокодетализированных моделей персонажей, существ и
органических объектов.

16.

17.

18. Примеры построения моделей различных объектов

Моделирование персонажа
Добавление доп. геометр.
Создание базовой геометрии
элементов и формирование
(кубы, сферы и цилиндры)
основных черт персонажа
Текстуры (цвет, текстура
кожи, волосы и одежда)
Модель анимируется
Текстуры, освещение
Визуализация модели
Моделирование архитектурного объекта
Создание основной
Добавление деталей (окна,
структуры (блоки или
двери, балконы, крыши)
формы)

19. Компьютерная графика

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СЦЕН

20. Этапы построения сцен

Этап:
источники
света и камеры
Этап:
визуализация
•Настройка и отладка характеристик сцены. Яркость и
тон основного и вспомогательного освещения, наличие
рефлексных источников света, глубина и резкость теней
и многие другие параметры задаются при помощи
специальных служебных объектов – источников света.
•Настройка
параметров,
регулирующих
качество
получаемой «картинки», формат и тип генерируемых
кадров, добавление специальных эффектов (сияние,
отражение и блики в линзах камер, огонь, размытие
резкости, туман, объемный свет и т.д).

21. Характеристики пакетов 3D моделирования

Autodesk 3Ds
Max
Отрасль
использования
Цена полного
пакета
продукта
Операционная
система
Руководство
пользователя
Популярность
производителя
Документация
Видео обучение
Blender 3D
Autodesk Maya
FaceGen
Modeller

22.

Autodesk 3Ds
Max
Blender 3D
Autodesk Maya
Поддержка популярных форматов импорта / экспорта
3DS
COLLADA
FBX
STL
Рендеринг
Рендеринг
Качество
Сферы применения
Визуализация – дизайн
Фильмы
Визуальные эффекты –
motion эффекты
Игры
Web-дизайн
3D в реальном времени /
виртуальная реальность
FaceGen
Modeller

23. Компьютерная графика

ОСВЕЩЕНИЕ И ТЕНЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ В
Т Р Е Х М Е Р Н О Й Г РАФ И К Е

24. Освещение в трехмерной графике

Источники света в 3DSM делятся на:
направленные (Spot).Target Spot -Направленный с
мишенью), Free Spot - Направленный без мишени
и mr Area Spot - Направленный, используемый
визуализатором mental ray.
всенаправленные (Omni). Omni - Всенаправленный
и mr Area Omni - Всенаправленный, используемый
визуализатором mental ray.

25. Параметры источника света

Multiplier (Яркость)
Decay (Затухание)
Shadow Map (Тип отбрасываемой тени).
По умолчанию, Multiplier (Яркость) любого источника
света равна единице, а параметр Decay (Затухание)
выключен.

26. Расстановки источников света в сцене

Не стоит без реальной необходимости устанавливать значение
яркости источников света больше или равным единице, так как из-за
этого могут возникнуть засвеченные участки и нежелательные блики.
Следует помнить, что объекты, на которые сзади падает несильный
свет, на финальном изображении кажутся немного более объемными.
При наличии в сцене нескольких источников света, яркость в
отдельно взятой точке равняется суммарной яркости всех источников
в сцене.
Наличие большого количества источников света в сцене может
вызвать множество хаотичных теней, которые будут лишними на
визуализированном изображении.
Если вы желаете добиться фотографической реалистичности, для
визуализации сцены лучше использовать специальные подключаемые
фотореалистичные визуализаторы, которые по точности просчета на
порядок
выше
стандартного
модуля
визуализации
(Default Scanline Renderer).

27. Характеристики света и методы визуализации теней

Свет имеет три главные характеристики:
яркость (Multiplier);
цвет (Color);
отбрасываемые от освещенных им объектов тени
(Shadows).

28. Подходы к визуализации теней

Использование карты теней (Shadow Map)
• использование карты теней позволяет получить размытые тени с
нечеткими краями благодаря манипуляциям размером карты теней.
Трассировка (Raytraced)
• позволяет получить идеальные по форме тени, которые, выглядят
неестественно из-за своего резкого контура. Используется для
визуализации сцен, в которых присутствуют зеркальные отражения.
Для
получения
мягких
теней
используется
метод Area
Shadows (Распределение теней), в основе которого лежит немного
видоизмененный метод трассировки.
Глобальное освещение (Global Illumination).
• позволяет добиться мягких теней на финальном изображении.

29.

Съемка производится группой
объектов Cameras (Камеры). Камеры бывают двух
типов — Target (Направленная) и Free (Свободная).
Камеры типа Target (Направленная) - камеры, для
которых можно задать направление действия, когда
необходимо проследить движение объекта вдоль
некоторой траектории. Свободная камера позволяет
получить динамическую съемку, которая ведется из
меняющейся точки.

30. Компьютерная графика

Т Е Х Н О Л О Г И И Р Е Н Д Е Р И Н ГА В Т Р Е Х М Е Р Н О Й
Г РАФ И К Е

31. Понятие рендеринга

Рендеринг – это процесс получения плоского растрового изображения
(или целой цепочки из таких изображений) на основе 2D- или 3Dмоделей, созданных художником, дизайнером или модельером.
Данный процесс относится к компьютерной графике и реализуется с
помощью специальной программы, которая переводит модели и
сцены в плоское изображение. Сама работа рендеринга представляет
собой набор сложных вычислений, что требует наличие мощной,
профессиональной аппаратуры. Качество и срок готовности
финального изображения напрямую зависит от производительности
техники.
Движок рендера работает над большим количеством вычислений по
заданным алгоритмам. Каждая сцена и модель, созданная автором,
содержит математические данные, которые поэтапно обрабатываются
и преобразуются в плоское изображение.

32. Основные понятия рендеринга

Прозрачность – прямое прохождение луча света сквозь объект.
Полупрозрачность — рассеянный свет лучей, которые проходят сквозь
объект.
Преломление —изменение направления луча света на стыке двух объектов,
связано с прозрачностью.
Дифракция — огибание лучом света границ объекта.
Непрямое освещение — свет, который отражается от нескольких
поверхностей, а не от источника света.
Каустика — форма непрямого освещения, возникающая от особых линий и
особых поверхностей, где лучи света сходятся в одной точке сквозь
прозрачный объект.
Фоггинг —световые лучи становятся тусклыми при прохождении сквозь
туман или другие осадки.
Бамп-мэппинг — технология создания рельефных контуров на различных
поверхностях.
Шейдинг — регулировка степени яркости оттенков поверхности с помощью
освещения.

33. Виды рендеринга

Рендеринг в
режиме онлайн
• Нужен для работы в игровом и интерактивном режиме, где компьютерная
графика должна максимально обрабатывать изображение и выводиться на
экран в готовом виде.
• Для беспрерывной и плавной работы интерактивной сцены или игры 3dдвижок должен обрабатывать изображение не менее 20-25 кадров в секунду.
Если скорость рендера снизится до 20 кадров, то пользователи будут
испытывать дискомфорт от «рваной» или «тормозящей» картинки.
• В помощь идет и специальная графическая техника (например, видеокарта
для рендеринга – GPU), которая забирает на себя основную нагрузку расчетов
рендера, тем самым высвобождая мощности для вычисления других задач.
Предварительный
рендер
• Используют в случаях работы с анимацией или сложными визуальными
эффектами, например, в киностудии. В данном случае приоритет скорости и
необходимость в интерактиве отсутствуют. Но при этому нужно очень
высокое качество и реальность изображения.
• В этом случае специалистам не нужно оптимизировать процессы, так как
возможно использование и 3d-моделей высокого качества, и текстурных карт с
большим разрешением. В таких случаях изображение получается очень
реалистичным, в отличие от картинок в онлайн рендеринге.

34. Основные методы рендеринга

•Часто используют рендеры. Растеризация предполагает деление модели на большое количество полигонов с
помощью сетки. Вершины полигонов содержат информацию о цвете, текстуре и расположении. При запуске
рендеринга вершины проецируются перпендикулярно камере на пустую плоскость.
Растеризация •Распространен в сферах, где необходима обработка изображения в режиме онлайн: видеоиграх и симуляциях, в
работе интерактивного графического интерфейса. Специалисты ценят растеризацию за оперативность обработки.
•Растеризация бесполезна, если в сцене находятся перекрывающие друг друга объекты. В этом случае изображение
при рендеринге может отобразиться некорректно и привести к искажению сцены.
Лучевое литье •Тогда на помощь приходит техника рейкастинг, которая располагает лучи так, чтобы свет был направлен на модель
(рейкастинг) с точки зрения наблюдателя. Лучи при этом будут распространяться на все пиксели на плоскости изображения.
•Лучевое литье не сможет обеспечить естественное отображение теней, создание преломлений и отражений.
•Методика в целом похожа на рейкастинг. Разница: первичные лучи, направленные на объект, создают вторичные –
теневые, которые обеспечивают корректное преломление и отражение.
•Трассировка различает поверхности модели и создает под них максимально корректные изображения. Например,
Трассировка если путь луча света к модели прерывается другим объектом, то на поверхности модели появляется тень данного
лучей
объекта. А если поверхность обладает отражающими свойствами, то при помощи трассировки луч отразится и на
других объектах сцены в соответствии с собственной формой.
Уравнение
рендеринга
•Чтобы сделать изображение максимально реалистичным простым направлением луча не обойтись, рендеринг
подразумевает сложные математические вычисления большого количества данных. Уравнение рендеринга призвано
моделировать освещение всех объектов сцены. Трассировка лучей оперирует только прямым освещением, уравнение
использует все источники света, задействованные в рендере.

35. Контрольные вопросы

Что представляет собой трехмерное моделирование?
Перечислите основные характеристики трехмерного
моделирования.
В чем различие между иллюминацией и текстурированием?
Назовите техники текстурирования в трехмерной графике.
Что такое рендеринг?
Перечислите основные виды трёхмерного моделирования.
Назовите этапы моделирования и воссоздания объектов и сцен.
Назовите принципы трёхмерного моделирования.
В чём заключается принцип моделирования полигонами?
В чем суть физической симуляции?

36. Контрольные вопросы

1.
Перечислите различные
моделирование.
области,
в
2.
Чем отличается полигональное моделирование от субдивизионного?
3.
Что включает в себя NURBS моделирование?
4.
В чем состоит особенность скульптинга в трехмерном моделировании?
5.
Приведите примеры трехмерного моделирования.
6.
Что такое трехмерная графика?
7.
Дайте определение понятия «3D-моделирование».
8.
Какие шаги предпринимают для получения трёхмерного изображения?
9.
Что необходимо для пространственного моделирования объекта?
10. Назовите основные этапы построения сцен.
которых
применяется
трехмерное

37. Контрольные вопросы

На какие виды делятся источники света?
Для чего используются направленные источники?
Сколько источников необходимо использовать для освещения
сцены?
Какими главными характеристиками обладает свет?
Назовите методы визуализации теней.
Дайте определение понятия рендеринга.
Что представляет из себя каустика?
На какие виды разделяют рендеринг?
В чем заключается метод трассировки лучей?
Для чего необходимо уравнение рендеринга?
Приведите практические примеры использования рендеринга
Перечислите современные программы рендеринга