Рисунки в 3D формате

Заключение

Литература

Приложение

Введение

Как-то идя по дороге из университета, я наткнулась на такой рисунок как 3D графика, и мне стало интересно, откуда пошла история развития 3D рисунков. Мне кажется это довольно интересно, откуда же берется такая красота и как её создают, когда я пришла домой, я решила зайти в интернет и поискать историю развития 3D рисунков. Оказывается, в 1961 году Айвен Сазерленда создал такую программу, как ScetchPad, в которой можно было создавать такой рисунок. И мне показалось эта тема очень интересной. Она актуальна в наши времена, интернет так и заполнен такими рисунками, причем все восхищаются такой графикой. Сейчас появилось много уличных художников, которые создают такие шедевры. Итак, расскажу немного о 3D рисунке.

Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions -- «3 измерения») Graphics, три измерения изображения) -- раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объемных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость, например, экран компьютера, с помощью специализированных программ. При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здание, ураган), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёх мерного фрактала).

3D моделирование -- это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D моделирования -- разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента, не существовавшего объекта.

1. История создание 3D графики

Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры.

В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры («Spacewar!») заняло около 200человеко-часов. Игра была создана на машинеPDP-1.

В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина.

В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM.

В1964 году группой под руководством Н.Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер.

В 1968 году существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.

2. Основные области применения

Научная графика -- первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства -- графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.

Деловая графика -- область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчётная документация, статистические сводки -- вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.

Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трёхмерные изображения.

Иллюстративная графика -- это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.

Художественная и рекламная графика-- ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео уроки, видео презентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трёхмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объёмом вычислений. Передача освещённости объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчётов, учитывающих законы оптики.

Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчёты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определённой частотой, создают иллюзию движения.

Мультимедиа -- это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.

3. Создание 3D рисунка

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

· Моделирование -- создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

· Текстурирование -- назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов -- прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);

· Освещение -- установка и настройка источников света;

· Анимация (в некоторых случаях) -- придание движения объектам;

· Динамическая симуляция (в некоторых случаях)-- автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;

· Рендеринг (визуализация) -- построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

· вывод полученного изображения на устройства вывода -- дисплей или принтер.

Рис. 1 Моделирование

Схема проецирования сцены на экран компьютера

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

· Геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);

· Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);

· Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);

· Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);

· Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);

· Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования -- описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов -- прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

· PixologicZbrush;

· Autodesk [[Mudbox], Autodesk 3Dmax studio;

· Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;

· GoogleSketchUp.

· Blender

Для создания трехмерной модели человека или существа может быть использована, как прообраз (в большинстве случаев)

Скульптура.

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.

Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков, например Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella и др.

Освещение

Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом, в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D графики предоставляют следующие типы источников освещения:

· Omni light (Point light) -- всенаправленный;

· Spot light -- конический (прожектор), источник расходящихся лучей;

· Directional light -- источник параллельных лучей;

· Area light (Plane light) -- световой портал, излучающий свет из плоскости;

· Photometric -- источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному предназначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.

Анимация

Одно из главных призваний трехмерной графики-- придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

· Autodesk MotionBuilder

· PMGMessiah Studio

Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок -- кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена, по крайней мере, тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом, рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга -- это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).

Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

· Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);

· Сканлайн (scanline)-- он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) -- расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пикселя «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пикселя будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения ит.д.);

· Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) -- то же, что и сканлайн, но цвет пикселя уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых ит.д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;

· Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) -- расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стёрлась. Так, в3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing -- к прямой.

4. История создания уличных рисунков

Рисунки на асфальте, как вид уличного искусства появились в 16 веке в Европе. Странствующие художники рисовали мелом на площадях городов объёмные картины религиозной тематики. Особенно часто они изображали Мадонну, поэтому с той поры их принято называть мадоннари.

Работы часто сопровождались стихами и притчами, уроками нравственности и политическими комментариями на события дня. Они были обращены в основном, к простым людям, которые не умели читать и писать, но воспринимали зрительные образы.

Во второй половине ХХ века этот вид уличного искусства получил широкое распространение в Европе и Америке. А с 1972 года в Италии проходят ежегодные фестивали мадоннари, где можно полюбоваться разнообразными рисунками на асфальте, также подобные мероприятия проходят и в США.

Среди мадоннари выделяются художники, создающие на асфальте объемные иллюзии или 3D рисунки (см. Приложение). Такие рисунки выполняются специальной техникой искажения изображения, таким образом, чтобы с определенной точки зрения плоское изображение на горизонтальной поверхности казалось объемным. Среди западных мадоннари, работающих в этом направлении, наиболее широкую известность приобрёл британец Джулиан Бивер (Julian Beever).

В России 3D рисунки на асфальте, как искусство появилось лишь в начале 21 века. Первым русским мадоннари стал Филипп Козлов из Волгограда, за ним последовали Игорь Соловьёв и другие авторы. Филипп начал всерьез заниматься 3D рисунками в 2008 году. С тех пор он выполнил более 20 творческих и рекламных работ. Сегодня на Западе и в России 3D рисунки на асфальте активно используются в рекламных акциях крупными компаниями-лидерами из разных сфер бизнеса: IKEA, Nike, Coca-Cola, DHL, Citroen, Sony, Nokia, Hitachi и другие.

Художники - мадоннари используют мел и пастель. Такие рисунки сохраняются не долго, зависят от погоды. Для больших рисунков некоторые художники используют краски. Процесс создания художником 3D рисунка на асфальте порой доходит до 5 дней.

Джулиан Бивер, британский художник, рисует мелом на тротуарах - росписи и удивительно реалистичные трёхмерные изображения. Его рисунки создаются с применением анаморфного проектирования и бросают вызов законам перспективы. Оптический обман так убедителен, что люди сворачивают, чтобы избежать выбоин, которые он рисовал на тротуаре. Но только как он получает такой эффект?

Тайна заключается в том, что нужно установить камеру на треноге и держать её в одной точке и проверять каждую метку, которую Вы делаете. Это в действительности только игра перспективой, чтобы заставить изображение выглядеть не так, как оно есть на самом деле, рассказал Бивер.

Наибольший эффект его искусства можно в полной мере оценить, рассматривая изображение через широкоугольный объектив его камеры.

5. Ramon Bruin. Трехмерные рисунки карандашом

Каждый образ, который создает Ramon Bruin - это оптическая иллюзия, которая становится трехмерной, когда зрители смотрят на плоские изображения под определенным углом. Специальные методы и познания в аэрографии позволяют художнику краской и карандашом в градиентных моделях создавать на любой поверхности трехмерные рисунки, объем, которых зависит от различных плотностей цвета. В сочетании с этими точное и безупречное использования игры света и тени, позволяет Bruin создавать чрезвычайно фотореалистичных изображений. Нечто похожее делает японский художник Nagai Hideyuki.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

компьютерный графика рисунок карандаш

Заключение

В заключение хочу сказать, что данная тема раскрыта мной полностью в реферате. Все поставленные задачи и цели выполнены. Я донесла вам об истории происхождения 3D рисунков, и их создании. Это проблема актуальна в данное время, все восхищаются такой графикой. Повсеместное внедрение 3D-графики вызвало увеличение мощности компьютеров без какого-либо существенного увеличения их цены. Пользователи потрясены открывающимися возможностями, и стремятся попробовать их у себя на компьютерах. Множество новых 3D-карт позволяют пользователям видеть трехмерную графику в реальном времени на своих домашних компьютерах. Эти новые акселераторы позволяют добавлять реализм к изображениям и ускорять вывод графики в обход центрального процессора, опираясь на собственные аппаратные возможности.

Хотя в настоящее время трехмерные возможности используются только в играх, кажется, деловые приложения также смогут впоследствии извлечь из них выгоду. Например, средства автоматизированного проектирования уже нуждаются в выводе трехмерных объектов. Теперь создание и проектирование будет возможно и на персональном компьютере благодаря возможностям, которые открываются. Трехмерная графика, возможно, сможет также изменить способ взаимодействия человека с компьютером. Использование трехмерных интерфейсов программ должно сделать процесс общения с компьютером еще более простым, чем в настоящее время.

Литература

1. Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. -- 2-е изд. -- М.: Вильямс, 2002. -- 640 с.

2. Д. Херн, М. П. Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL. -- 3-е изд. -- М.: Вильямс, 2005. -- 1168 с.

3. Э. Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. -- 2-е изд. -- М.: Вильямс, 2001. -- 592 с.

4. Г. Снук. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9. -- 2-е изд. -- М.: Кудиц-пресс, 2007. -- 368 с.

5. В.П. Иванов, А.С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г.М. Полищука. -- М.: Радио и связь, 1995. -- 224 с

Приложение

Размещено на Allbest.ru