7627

Основные понятия трехмерной графики

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Трехмерная графика Основные понятия трехмерной графики. Области применения трехмерной графики. Программные средства обработки трехмерной графики. Основные понятия трехмерной графики Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как н...

Русский

2013-01-26

60.5 KB

45 чел.

Трехмерная графика

Основные понятия трехмерной графики. Области применения трехмерной графики. Программные средства обработки трехмерной графики.

Основные понятия трехмерной графики

Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов.

Для создания реалистичной модели объекта используются геометрические примитивы (куб, шар, конус и пр.) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. Вид поверхности определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и гладкость поверхности в целом.

Деформация объекта обеспечивается перемещением контрольных точек, расположенных вблизи. Каждая контрольная точка связана с ближайшими опорными точками, степень ее влияния на них определяется удаленностью. Другой метод называют сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещается трехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформацию как самой сетки, так и окруженного объекта.

Еще одним способом построения объектов из примитивов служит твердотельное моделирование. Объекты представлены твердыми телами, которые при взаимодействии с другими телами различными способами (объединение, вычитание, слияние и др.) претерпевают необходимую трансформацию.

Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства. Свойства поверхности описываются в создаваемых массивах текстур, в которых содержатся данные о степени прозрачности материала, коэффициенте преломления, цвете в каждой точке, цвете блика, его ширине и резкости и др.

После завершения конструирования и визуализации объекта приступают его "оживлению", т.е. заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах.

Применение сложных математических моделей позволяет имитировать различные физические эффекты: взрывы, дождь, снег, огонь, дым, туман и др.

Основную долю рынка программных средств обработки трехмерной графики занимают три пакета: 3D Studio Max фирмы Kinetix; Softimage 3D компании Microsoft; Maya, разработанная консорциумом известных компаний (Alias, Wavefront, TDI). На сегодняшний день Maya является наиболее передовым пакетом в классе средств создания и обработки трехмерной графики для персональных компьютеров.

Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов (рис. 3). В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования – создание подвижного изображения реального физического тела.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

  •  спроектировать и создать виртуальный каркас (“скелет”) объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;
  •  спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;
  •  присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне – “спроектировать текстуры на объект”);
  •  настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, – задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;
  •  задать траектории движения объектов;
  •  рассчитать результирующую последовательность кадров;
  •  наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и “гладкость” поверхности в целом.

После формирования “скелета” объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства.

Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.

Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:

  •  свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted);
  •  свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
  •  зеркально отраженный свет (Reflected);
  •  блики, то есть отраженный свет источников (Specular);
  •  собственное свечение поверхности (Self Illumination).

Следующим этапом является наложение (“проектирование”) текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект – задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.

После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его “оживлению”, то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.

Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом. Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированных поверхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то есть создается каркасная модель. Каркасная модель визуализуется наложением поверхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объекта получается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.

Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксации реальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольных точках яркие источники света и снимают заданное движение на видео- или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер и присваивают соответствующим опорным точкам каркасной модели. В результате движения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.

Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.

Особую область трёхмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств – автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.

Программные средства обработки трехмерной графики

На персональных компьютерах основную долю рынка программных средств обработки трехмерной графики занимают три пакета. Эффективней всего они работают на самых мощных машинах (в двух- или четырехпроцессорных конфигурациях Pentium II/III, Xeon) под управлением операционной системы Windows NT.

Программа создания и обработки трехмерной графики 3D Studio Max фирмы Kinetix изначально создавалась для платформы Windows. Этот пакет считается «полупрофессиональным». Однако его средств вполне хватает для разработки качественных трехмерных изображений объектов неживой природы. Отличительными особенностями пакета являются поддержка большого числа аппаратных ускорителей трехмерной графики, мощные световые эффекты, большое число дополнений, созданных сторонними фирмами. Сравнительная нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать даже на компьютерах среднего уровня. Вместе с тем по средствам моделирования и анимации пакет 3D Studio Max уступает более развитым программным средствам.

Программа Softimage 3D компании Microsoft изначально создавалась для рабочих станций SGI и лишь сравнительно недавно была конвертирована под операционную систему Windows NT. Программу отличают богатые возможности моделирования, наличие большого числа регулируемых физических и кинематографических параметров. Для рендеринга применяется качественный и достаточно быстрый модуль Mental Ray. Существует множество дополнений, выпущенных “третьими” фирмами, значительно расширяющих функции пакета. Эта программа считается стандартом «де-факто» в мире специализированных графических станций SGI, а на платформе IBM PC выглядит несколько тяжеловато и требует мощных аппаратных ресурсов.

Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является программа Мауа, разработанная консорциумом известных компаний (Alias, Wavefront, TDI). Пакет существует в вариантах для разных операционных систем, в том числе и Windows NT. Инструментарий Мауа сведен в четыре группы: Animation (анимация), Modeling (моделирование), Dynamic (физическое моделирование), Rendering (визуализация). Удобный настраиваемый интерфейс выполнен в соответствии с современными требованиями. На сегодняшний день Мауа является наиболее передовым пакетом в классе средств создания и обработки трехмерной графики для персональных компьютеров.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76907. Глазодвигательный, блоковый, отводящий нервы 181.24 KB
  Глазодвигательный блоковый и отводящий нервы связаны в одну группу по причинам: единого происхождения и развития обусловленного передними головными миотомами из которых возникают мышцы глазного яблока; схожим строением волокон которые имеют нисходящее направление и по функции являются двигательными; общностью иннервации глазных мышц. Корешки нерва выходят на основании головного мозга в межножковой ямке по медиальной поверхности ножек мозга где для них имеется борозда. Ресничный узел лежит на латеральной полуокружности влагалища...
76908. Тройничный нерв. V пара черепных нервов, ее ветви, топография и области иннервации 185.93 KB
  V пара тройничные нервы правый и левый смешанные: чувствительные двигательные вегетативные. Нервы развиваются вместе с производными первой висцеральной дуги челюстями и жевательными мышцами кожей лица слизистой полости носа и рта. Ствол тройничного нерва возникает при объединении чувствительного и двигательного корешков на выходе из мозга.
76909. Лицевой нерв, его топография, ветви и области иннервации 181.44 KB
  VII пара включает два нерва лицевой и промежуточный смешанные нервы двигательные парасимпатические и чувствительные. Промежуточный нерв нередко обозначают как XIII пару и тогда в VII паре остается только лицевой – двигательный нерв. Нерв выходит из мозга в поперечной борозде между мостом и продолговатым мозгом латерально от оливы направляясь по задней черепной яме к внутреннему слуховому проходу куда вступает вместе с VIII парой.
76910. Преддверно-улитковый нерв. VIII пара черепных нервов и топография ее ядер. Проводящие пути органов слуха и равновесия 183.89 KB
  Преддверная и улитковая части VIII пары объединяются во внутреннем слуховом проходе и направляются через заднюю черепную яму к мозговому стволу к его поперечной борозде между мостом и продолговатым мозгом где латеральнее лицевого и промежуточного нервов входят во внутрь моста и заканчиваются синапсами на ядрах вестибулярного поля моста. Вестибулярное поле находится в латеральных углах ромбовидной ямки на него проецируются два улитковых и четыре вестибулярных ядра залегающих в вентролатеральных отделах моста. Улитковые ядра: переднее и...
76911. Языкоглоточный нерв. IX пара черепных нервов, их ядра, топография и области иннервации 180.17 KB
  IX пара языкоглоточные нервы смешанные развиваются из заднего мозгового пузыря. Корешки нерва 45 выходят позади оливы продолговатого мозга и сливаются в короткий ствол. Чувствительные узлы нерва: верхний в яремном отверстии нижний в области каменистой ямки височной кости содержат псевдоуниполярные нейроны центральные отростки которых формируют чувствительный корешок нерва.
76912. Блуждающий нерв, его ядра, их топография; ветви и области иннервации 181.14 KB
  Краниальная часть нерва отдает ветви: менингиальную веточку для твердой мозговой оболочки в задней черепной яме; ушную ветвь которая через сосцевидный каналец и барабаннососцевидную щель подходит к коже наружного слухового прохода и ушной раковине. Ветви шейной части: глоточные к глоточному сплетению и через него к слизистой мышцамконстрикторам глотки мышцам мягкого неба кроме напряжителя из тройничного нерва шейные верхние сердечные ветви к сердечным сплетениям гортанные верхние нервы к перстнещитовидной мышце наружная...
76913. Прибавочный и подъязычный нервы 181.56 KB
  Обе пары XI XII по выходе из черепа идут между внутренней яремной веной и внутренней сонной артерией и ложатся под заднее брюшко двубрюшной мышцы. Из черепа ствол нерва выходит через яремное отверстие вместе с IX X парами и внутренней яремной веной занимая при этом латеральное положение. Внутренняя веточка для соединения с блуждающим нервом; наружная ветвь – для трапециевидной и грудиноключичнососцевидной мышц; Наружная ветвь проходит между внутренней яремной веной и внутренней сонной артерией а затем уходит под заднее брюшко...
76914. Вегетативная, автономная нервная система. Вегетативная часть нервной системы, ее деление и характеристика отделов 185.72 KB
  В надсегментарных вегетативных центрах которые располагаются в коре полушарий базальных ядрах мозжечке различают: центры чувствительные по восприятию внутренней рецепции; центры двигательные по координации гладкомышечных и сердечных сокращений в органах и сосудах. Подкорковые вегетативные центры Полосатое тело центры терморегуляции слюно и слезоотделения образования слизи. Ретикулярная формация ствола мозга – зрачковый рефлекс центры дыхания сердечный сосудистый глотания и рвоты и другие регуляции обмена веществ и...
76915. Парасимпатическая часть ВНС 187.66 KB
  Краниальная часть парасимпатических ядер включает мезэнцефалические добавочное и срединное ядра глазодвигательного нерва которые лежат в сером веществе дна водопровода на уровне верхних холмиков. Центральные нейроны ядер направляют свои преганглионарные отростки в составе глазодвигательного нерва к ресничному узлу где они переключаются на периферические 2ые нейроны. Дорсальное ядро блуждающего нерва направляет преганглионарные волокна в интрамуральные органные парасимпатические узлы органов иннервируемых Х парой где они прерываются....