Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

ДГТУ

Кафедра “Информационные технологии”

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ «СОЗДАНИЕ 3D ИЗОБРАЖЕНИЙ»

Выполнила студентка группы ВБИС22

Куликова Василина

Проверила: Борисова Екатерина Викторовна

Ростов-на-Дону 2014



Содержание

1. Технологии создания 3D-изображения

2. История

3. Технологии

3.1 Анаглиф (Anaglyph)

3.2 Поляризация

3.3 Затворный метод

4. 3D без очков: ближайшее будущее

5. Создание трёхмерного изображения

5.1 Моделирование

5.2 Текстурирование

5.3 Освещение

5.4 Анимация

5.5 Рендеринг

Итоги

Список использованных источников



1. Технологии создания 3D-изображения

Способность к бинокулярному (стереоскопическому) зрению возникла у животных и людей не из их любви к красивым спецэффектам. А как часть природного механизма выживания, позволяющего определять расстояние до предметов и других животных или людей.

Такие знания позволяют быстро принять решение при встрече с опасностью или, наоборот, дичью -- напасть, отступить, обойти или бежать куда глаза глядят. Бинокулярным зрением обладают помимо человека лишь животные с наиболее развитой высшей нервной деятельностью. Все, что нужно для определения расстояния, которое и формирует объемную картинку, -- это три точки: непосредственный предмет и пара глаз.



2. История

Главным «устройством» необходимым для просмотра трехмерной картинки является наш мозг. Именно в нем «в режиме реального времени» анализируется информация, поступающая от левого и правого глаза, и формируется изображение, которое мы воспринимаем как объёмное. Все методы создания 3D-картинки так или иначе базируются на том, чтобы «обмануть» мозг и подсунуть ему разное изображение отдельно для левого и правого глаза.

Было бы ошибкой считать, что интерес к трехмерным изображениям возник лишь в последний десяток лет. Первые эксперименты и патенты появились почти сразу после рождения фотографии и кинематографа, то есть еще в конце XIX века. По большей части ни одна из технологий так и не получила массового распространения, но, например, такое устройство, как стереоскоп (на иллюстрации ниже) было хорошо известно даже в Советском Союзе. Правда, смотреть можно было лишь диафильмы (слайды с титрами), состоящие всего из десятка кадров, да и выбор их был крайне ограничен, но для знакомства с технологией этого было вполне достаточно. В качестве слайдов использовались кадры с куклами, снятыми под двумя разными ракурсами. При этом каждый глаз видел свою собственную картинку.

Новый всплеск интереса к трехмерному изображению появился после выхода фильма «Газонокосильщик» (The Lawnmower Man) в 1992 году. В нем использовался термин «виртуальная реальность», который стал очень популярен и положил начало таким специальным шлемам виртуальной реальности. Они были оснащены двумя ЖК-дисплеями и были дороги в производстве. Помимо высокой цены существенным недостатком было низкое разрешение экранов (например, 263Ч230 пикселей), что физически не позволяло демонстрировать картинку с высокой степенью детализации.

Если верить «Википедии», то первый коммерческий показ художественного фильма со стереоскопическим эффектом состоялся еще в 1922 году. С тех пор кинотеатры использовали различные технологии для создания трехмерной картинки, но все они требовали наличие очков и своего собственного формата. Да и под каждую систему было необходимо свое собственное оборудование, поскольку единых стандартов не было (и нет до сих пор). Существовали кинотеатры, демонстрирующие такие объёмные фильмы и в СССР, но, как и во всем мире, фильмов, адаптированных для такого просмотра, было немного.



3. Технологии

В настоящее время существует множество различных технологий для создания трехмерного изображения. Наибольшее распространение получило три. Все они требуют специальных очков (в каждом случае, разумеется, своих). И каждая имеет свои достоинства и недостатки. Это анаглиф (простые очки с красной и синей пленкой), поляризация (использование эффекта поляризации для разделения изображений левого и правого глаза). И очки с активными затворами (разделение картинки для каждого глаза выполняется за счет заслонки, появляющейся 50-60 раз в секунду отдельно для каждого глаза).

3.1 Анаглиф (Anaglyph)

Анамглиф (анамглиф по-гречески «рельефный») - изображение, созданное с целью получения стереоэффекта с помощью совмещенной при типографской печати стереопары, созданной двумя монохромными цветными изображениями.

Самая простая из всех технологий создания трехмерного изображения. Картинка требует предварительной подготовки, зато очки могут быть изготовлены даже из картона с пленкой красного и синего цвета. Такие очки занимают мало места, предельно дешевы в производстве и часто используются для промокампаний, когда их вкладывают в книги со стереоизображениями или DVD. К недостаткам технологии можно отнести существенные искажения в цветопередаче (ведь левый глаз вообще не видит красного цвета, а правый -- синего). Так же недостатком метода, помимо невозможности просмотра полноцветных изображений, является зрительное утомление и последующее извращение восприятия реальных объектов. Хотя адаптация к восприятию стереоанаглифов происходит быстро, но через 10-20 минут пребывания в анаглифических очках у человека снижается цветовая чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного мира (время восстановления правильного восприятия - около 30 минут). Изображений для просмотра можно найти в интернете по запросу «anaglyph pictures». Визуально они напоминают дефектную печать, когда по ошибке печатника смещаются пленки и изображение, выделенное одним цветом, начинает двоиться.

3.2 Поляризация

Эта технология основана на использовании поляризационных фильтров в проекторах и очках. Разделение картинки для левого и правого глаз происходит благодаря расположенным под углом в 90 градусов фильтрам, которые надежно «отсекают» изображение. Правда, в этом случае необходимо специальное серебряное покрытие экрана, компенсирующее потерю яркости вследствие поляризации. Эта система трехмерного изображения, в частности, используется в кинотеатрах IMAX. Такая технология получила название линейной поляризации. И главным ее недостатком является необходимость держать голову во время просмотра на одном уровне, при наклонах головы эффект теряется. К кинотеатрам это не относится! Более прогрессивная разновидность поляризации -- круговая использует фильтры с противоположно направленной поляризацией (на 180, а не 90 градусов), что позволяет сохранять трехмерное изображение даже при наклонах головы. Однако для такого решения нужно иметь дома 2 проектора, что мало кто себе может позволить.

3.3 Затворный метод

Этот метод создания трехмерного изображения еще называют эклипсным (от английского Eclipse -- затмение) или светоклапанным. Для разделения изображения в нем используются специальные затворы в очках. Сейчас это специальные жидкокристаллические затворы, способные изменять свое состояние с прозрачного до полностью непрозрачного 60 раз в секунду. Таким образом, на каждый глаз подается своя собственная картинка, а работа шторок в очках требует синхронизации с изображением на экране, который в свою очередь сменяет картинку 120 раз в секунду -- по 60 раз для каждого глаза. На сегодняшний день эта технология получила наибольшее распространение благодаря усилиям компании NVIDIA, которая активно продвигает ее под названием NVIDIA 3D Vision. А также выпускает готовый набор с очками и ИК-передатчиком для синхронизации очков с ПК. А еще сотрудничает с производителями компьютерных игр, поддерживая таким образом появление большого количества интересных игр, которые создают принципиально другие ощущения от игрового процесса. На сегодняшний день с технологией NVIDIA 3D Vision совместимо более 450 популярных игр последних лет. Также технология позволяет смотреть в объеме 3D фильмы, стереофотографии и даже потоковое видео в 3D.

К недостаткам технологии с использованием активных затворов можно отнести некоторое снижение яркости изображения (решается путем увеличения яркости проектора либо монитора или телевизора). Ну, и такие очки требуют регулярной подзарядки, поскольку работа жидкокристаллических затворов нуждается в питании. Так, например, аккумулятора батареи очков NVIDIA хватает на 40 часов. Стоит добавить, что все 3D-телевизоры используют именно эту технологию. И именно эта технология рекомендована Ассоциацией 3D Blu Ray для просмотра 3D Blu Ray дисков как единственная, обеспечивающая честные 1080р на каждый глаз.



4. 3D без очков: ближайшее будущее

Конечно же, использование очков выглядит отличным решением, но только переходным этапом на пути к просмотру трехмерного изображения, не требующего специальных приспособлений. Сейчас существует уже несколько технологий, носящих название автостереоскопических и позволяющих наслаждаться 3D-изображением без использования очков. Визуально они напоминают давно известные календарики с объемным стереоизображением. Картинка на экране состоит из узких вертикальных полосок, чередующих изображение для левого и правого глаза. Перед экраном находится растровый фильтр, затеняющий изображение для «неправильного» глаза. Таким образом, расположившись от экрана на определенном расстоянии, можно обмануть зрение и передать в мозг необходимую для построения трехмерного изображения картинку. Вся эта технология еще требует доработки и представленная скорее в виде экспериментальных и выставочных образцов техники. Основными недостатками, которые еще предстоит решить, является потеря качества картинки во время просмотра под разными углами и снижение разрешения картинки по горизонтали в два раза.

Технология	Недостатки	Преимущества
Анаглиф	Искажение цветопередачи, слабый стереоскопический эффект	Самая низкая цена
Поляризация	Потеря разрешения картинки. Потеря стереоскопического эффекта при наклоне головы Необходимость в серебряном покрытии экрана и двух проекторах для круговой поляризации	Приемлемый уровень яркости изображения, невысокая стоимость
Активный затвор	Снижение контрастности картинки, необходимость регулярной подзарядки аккумулятора Более высокая цена на очки	Разрешение 1080р на каждый глаз. Хороший угол обзора Разнообразие контента: 3D игры, кино, видео, фотографии и web-приложения



5. Создание трёхмерного изображения

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;

· Композитинг (компоновка) -- доработка изображения;

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

трехмерный изображение технология проектор

5.1 Моделирование

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 ирассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов -- прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость,рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

· Pixologic Zbrush;

· Autodesk Mudbox, Autodesk 3Dmax studio;

· Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;

· Google SketchUp.

· Blender

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

5.2 Текстурирование

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.

5.3 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.



5.4 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

· PMG Messiah Studio

5.5 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 пикселов. 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 пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

· Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) -- то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. 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, в 3D 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.

Наиболее популярными системами рендеринга являются:

· PhotoRealistic RenderMan (PRMan)

· mental ray

· V-Ray

· FinalRender

· Brazil R/S

· BusyRay

· Turtle

· Maxwell Render

· Fryrender

· Indigo Renderer

· LuxRender

· YafaRay

· POV-Ray

Вследствие большого объёма однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:

· Refractive Software Octane Render

· AAA studio FurryBall

· RandomControl ARION (гибридная)

· Vray-RT

· iray

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.



Итоги

Хотим мы или нет, но 2010 год войдет в историю как время перемен -- все производители техники единодушно взяли курс на 3D, и от этого уже никуда не деться. Трехмерное изображение нас ждет вскоре повсюду -- в кинотеатрах, компьютерных играх, на экранах домашних телевизоров и мониторах. А в ближайшем будущем и в мобильных телефонах. На сегодняшний день наиболее перспективной технологией 3D для домашней техники является метод с активными затворами. Он получила поддержку и распространение в телевизорах, компьютерных мониторах, проекторах. С его помощью можно наслаждаться не только фильмами, но и домашними фотографиями (серийные фотокамеры с двумя объективами, позволяющими делать объёмные снимки, уже появляются в продаже, на очереди видеокамеры). Ну, а для заядлых компьютерных игроков раздолье есть уже прямо сейчас -- благодаря компании NVIDIA и ее поддержке технологии 3D Vision уже сегодня доступны сотни игр, предоставляющих геймерам совершенно новый уровень ощущений от трехмерных игр.



Список использованных источников

1. Трёхмерная графика [Электронный ресурс]: Материал из Википедии -- свободной энциклопедии: Версия 66890621, сохранённая в 09:22 UTC 20 ноября 2014 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=66890621.

2. Анаглиф [Электронный ресурс]: Материал из Википедии -- свободной энциклопедии: Версия 64952292, сохранённая в 05:20 UTC 21 августа 2014 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=64952292.

3. Поляризация волн [Электронный ресурс]: Материал из Википедии -- свободной энциклопедии: Версия 65766760, сохранённая в 23:04 UTC 24 сентября 2014 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=65766760.

4. Стереокинематограф [Электронный ресурс]: Материал из Википедии -- свободной энциклопедии: Версия 65980969, сохранённая в 03:21 UTC 6 октября 2014 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=65980969.

5. 3D-очки [Электронный ресурс]: Материал из Википедии -- свободной энциклопедии: Версия 66294043, сохранённая в 00:42 UTC 19 октября 2014 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=66294043.

Размещено на Allbest.ru

...