/Files/images/television-3d.jpg

Тривимірна графіка (3D, 3 Dimensions, укр. 3 виміри) - розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів. Найбільше застосовується для створення зображень на площині екрану або аркуша друкованої продукції в архітектурній візуалізації, кінематографі, телебаченні, комп'ютерних іграх, друкованій продукції, а також в науці та промисловості.

Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі(сцени) на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм. При цьому модель може, як відповідати об'єктам з реального світу (автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною (проекція чотиривимірного фрактала ).

Для одержання тривимірного зображення на площині потрібні наступні кроки:

  • Моделювання - створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній.
  • Рендеринг (візуалізація) - побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделлі.
  • Виведення отриманого зображення на пристрій виведення - дисплей або принтер.

Однак, у зв'язку зі спробами створення 3D-дисплей | 3D-дисплеїв і 3D-принтерів , тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину.

Моделювання

Сцена (віртуальний простір моделювання) включає в себе кілька категорій об'єктів:

  • Геометрія (побудована за допомогою різних технік модель, наприклад будівля)
  • Матеріали (інформація про візуальні властивості моделі, наприклад колір стін і відбиває / заломлююча здатність вікон)
  • Джерела світла (налаштування напрямки, потужності, спектра освітлення)
  • Віртуальні камери (вибір точки та кута побудови проекції)
  • Сили та дії (налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації)
  • Додаткові ефекти (об'єкти, що імітують атмосферні явища: світло у тумані, хмари, полум'я і пр.)

Завдання тривимірного моделювання - описати ці об'єкти і розмістити їх у сцені з допомогою геометричних перетворень відповідно до вимог до майбутнього зображення.

Рендеринг

Докладніше: Рендеринг

На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на плоску (растрову) картинку. Якщо потрібно створити фільм, то рендерится послідовність таких картинок - кадрів. Як структура даних, зображення на екрані представлено матрицею точок, де кожна точка визначена принаймні трьома числами: інтенсивністю червоного, синього і зеленого кольору. Таким чином рендеринг перетворює тривимірну векторну структуру даних у плоску матрицю піксел ів. Цей крок часто вимагає дуже складних обчислень, особливо коли потрібно створити ілюзію реальності. Найпростіший вид рендеринга - це побудувати контури моделей на екрані комп'ютера за допомогою проекції, як показано вище. Звичайно цього недостатньо і потрібно створити ілюзію матеріалів, з яких виготовлені об'єкти, а також розрахувати спотворення цих об'єктів за рахунок прозорих середовищ (наприклад, рідини в склянці).

Існує декілька технологій візуалізації, часто комбінованих разом. Наприклад:

  • Z-буфер (використовується в OpenGL і DirectX 10);
  • Сканлайн (scanline) - він же Ray casting («кидання променя», спрощений алгоритм зворотного трасування променів) - розрахунок кольору кожної точки картинки побудовою променя з точки зору спостерігача через уявне отвір в екрані на місці цього пікселя «в сцену »до перетину з першою поверхнею. Колір пікселя буде таким же, як колір цієї поверхні (іноді з урахуванням освітлення і т. д.);
  • Трасування променів (рейтрейсінг, англ. raytracing) - те ж, що і сканлайн, але колір пікселя уточнюється за рахунок побудови додаткових променів (відображених, заломлених і т. д. ) від точки перетину променя погляду. Незважаючи на назву, застосовується тільки зворотний трасування променів (тобто саме від спостерігача до джерела світла), пряма вкрай неефективна і споживає занадто багато ресурсів для отримання якісної картинки;
  • Глобальне освітлення (англ. global illumination,radiosity) - розрахунок взаємодії поверхонь і середовищ у видимому спектрі випромінювання за допомогою інтегральних рівнянь.

Грань між алгоритмами трасування променів в наш час[Коли?] практично стерлася. Так, в 3D Studio Max стандартний візуалізатор називається Default scanline renderer, але він вважає не лише внесок дифузного, відбитого та власного (кольори самосвеченія) світла, але і згладжені тіні. З цієї причини, частіше поняття Raycasting відноситься до зворотної трасуванні променів, а Raytracing - до прямої.

Найпопулярнішими системами рендеринга є:

Внаслідок великого обсягу однотипних обчислень рендеринг можна розбивати на потоки (распараллелівать). Тому для візуалізації вельми актуальне використання багатопроцесорних систем. Останнім часом активно ведеться розробка систем візуалізації використовують GPU замість CPU, і вже сьогодні їх ефективність для таких обчислень набагато вище. До таких систем відносяться:

Багато виробників систем візуалізації для CPU також планують ввести підтримку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Найпередовіші досягнення та ідеї тривимірної графіки (і комп'ютерної графіки загалом) доповідаються і обговорюються на щорічному симпозіумі SIGGRAPH, традиційно проводиться в США.

Програмне забезпечення

Програмні пакети, що дозволяють створювати тривимірну графіку, тобто моделювати об'єкти віртуальної реальності і створювати на основі цих моделей зображення, дуже різноманітні. Останні роки стійкими лідерами в цій галузі є комерційні продукти: такі як 3ds Max, Maya, Lightwave 3D, SoftImage XSI, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D і порівняно нові Rhinoceros 3D, modo, Nevercenter Silo або ZBrush. Крім того, існують і відкриті продукти, поширювані вільно, наприклад, пакет Blender (дозволяє робити і виробництво моделей, і подальший рендерінг), K-3D і Wings3D (тільки створення моделей з можливістю подальшого використання їх іншими програмами). Деякий час тому Caligari закрила розробки з trueSpace і вона стала безкоштовною.

SketchUp

Безкоштовна програма SketchUp дозволяє створювати моделі, сумісні з географічними ландшафтами ресурсу Google Планета Земля, а також переглядати в інтерактивному режимі на комп'ютері користувача кілька тисяч архітектурних моделей, які викладені на безкоштовному постійно поповнюється ресурсі Google Cities in Development ( видатні будівлі світу), створені спільнотою користувачів.

Тривимірна графіка активно застосовується в системах автоматизації проектних робіт (САПР) для створення твердотільних елементів: будівель, деталей машин, механізмів, а також в архітектурної візуалізації (сюди відноситься і так звана "віртуальна археологія"). Широко застосовується 3D графіка і в сучасних системах медичної візуалізації.

Зв'язок з фізичним представленням тривимірних об'єктів

Тривимірна графіка зазвичай має справу з віртуальним, уявним тривимірним простором, який відображається на плоскій, двомірної поверхні дисплея або аркуша паперу. В наш час[Коли?] відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість з них представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють з стереообладнанням. З цієї області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Декілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Але щоб насолодитися об'ємної картинкою, глядачеві необхідно розташуватися строго по центру. Крок вправо, крок вліво, так само як і необережний поворот голови, карається перетворенням тривимірності в несимпатичне Зазубрене зображення. Вирішення цієї проблеми вже визріло в наукових лабораторіях. Німецький Інститут Фраунгофера демонстрував 3D-дисплей, за допомогою двох камер відслідковує положення очей глядача і відповідним способом підлаштовуватися зображення, в цьому році пішов ще далі. Тепер відстежується положення не тільки око, але і пальця, яким можна «натискати» тривимірні кнопки. А команда дослідників Токійського Університету створили систему що дозволяє відчути зображення. Випромінювач фокусується на точці де знаходиться палець людини і залежно від його положення змінює силу акустичного тиску. Таким чином, стає можливим не тільки бачити об'ємну картинку, але й взаємодіяти із зображеними на ній предметами.

Однак і 3D-дисплеї, як і раніше не дозволяють створювати повноцінної фізичної, відчутної копії математичної моделі, створюваної методами тривимірної графіки.

Що розвиваються з 1990-х років технології швидкого прототипування ліквідують цю прогалину. Слід зауважити, що в технологіях швидкого прототипування використовується представлення математичної моделі об'єкта у вигляді твердого тіла (воксельний модель).

Тривимірні дисплеї

Тривимірні, або стереоскопічні дисплеї, (3D displays, 3D screens) — дисплеї, за допомогою стереоскопічного або будь-якого іншого [1] ефекту створюють ілюзію реального обсягу у демонстрованих зображень.

В даний час переважна більшість тривимірних зображень показується за допомогою стереоскопічного ефекту, як найбільш легкого в реалізації, хоча використання однієї лише стереоскопії не можна назвати достатнім для об'ємного сприйняття. Людське око як в парі, так і поодинці однаково добре відрізняє об'ємні об'єкти від плоских зображень.

Стереоскопічні дисплеї

Методи технічної реалізації стереоефекту включають використання в комбінації зі спеціальним дисплеєм поляризованих або затворних очок, синхронізованих з дисплеєм, анагліфічних фільтрів у комбінації зі спеціально адаптованих зображенням.

Існує також відносно новий клас стереодісплеев, що не вимагають використання додаткових пристроїв, але мають масу обмежень. Зокрема, це кінцеве і дуже невелика кількість ракурсів, в яких стереозображення зберігає чіткість. Стереодісплеі, виконані на базі технології New Sight x3d, забезпечують вісім ракурсів, Philips WOWvx — дев'ять ракурсів. У жовтні 2008 року компанія Philips представила прототип стереодісплея з роздільною здатністю 3840 × 2160 пікселів і з рекордними 46 ракурсами «безпечного» перегляду. Незабаром після цього, однак, Philips оголосив про припинення розробок і досліджень в області стереодісплеев.[2]

Ще одна проблема стереодісплеев — це мала величина зони «комфортного перегляду» (діапазон відстаней від глядача до дисплея, в якому зображення зберігає чіткість). У середньому вона обмежена діапазоном від 3 до 10 метрів.

Стереодісплеі самі по собі не мають прямого відношення до тривимірної графіки. Плутанина виникає внаслідок використання в західних ЗМІ терміна 3D у відношенні як графіки, так і пристроїв, що експлуатують стереоефект, і некоректність перекладу при публікації в російських виданнях запозичених матеріалів.

Існує також технологія WOWvx, за допомогою якої можна отримати ефект 3D без використання спеціальних окулярів. Використовується технологія лентикулярні лінз, яка дає можливість великій кількості глядачів широку свободу руху без втрати сприйняття ефекту 3D. Шар прозорих лінз закріплюється перед рідкокристалічним дисплеєм. Цей шар направляє різні картинки кожному оці. Мозок, обробляючи комбінацію цих картинок створює ефект об'ємного зображення. Прозорість лінзового шару забезпечує повну яскравість, чіткий контраст і якісну передачу кольору картинки.

Світлодіодні 3D-дисплеї

Існує технологія відображення тривимірного відео та графіки на великих світлодіодних екранах, яка застосовується зокрема при обладнанні спортивних фан-зон.

28 травня 2011 року в Гетеборзі (Швеція) у клубі Trädgår'n було встановлено великий світлодіодний екран, який транслював футбольний матч у прямому ефірі у форматі 3D. У цей час (липень 2011 року) цей екран є найбільшим у світі світлодіодним телевізором. Екран розроблено і виготовлено української компанією ЕКТА на власному заводі у м. Житомир. [3] [4] Відеотрансляцію забезпечувала компанія Viasat-Швеція. [5] Світовий рекорд зафіксовано в Книзі рекордів Гіннеса.[6]

Інші дисплеї

У цей час (червень 2010 р) існують декілька експериментальних технологій, що дозволяють добитися об'ємного зображення без стереоскопії. Ці технології використовують швидку розгортку променя лазера, яка розсіюється на частинках диму або відбиваються від швидко обертається пластини.

Існують також пристрої, в яких на швидко обертається пластині закріплені світлодіоди.

Такі пристрої нагадують перші спроби створити механічну телевізійну розгортку. Мабуть, в майбутньому варто очікувати появу повністю електронного пристрою, що дозволяє імітувати світловий потік від об'ємного предмета в різних напрямках, щоб людина могла обійти навколо дисплея і навіть дивитися на зображення одним оком без порушення об'ємності зображення.

Тривимірні кінотеатри

Використання для позначення стереоскопічних фільмів термінів «тривимірний» або «3D» пов'язане з тим, що при перегляді таких фільмів у глядача створюється ілюзія об'ємності зображення, ілюзія наявності третього виміру - глибини. Крім того, існує асоціативний зв'язок з розширюється використанням засобів комп'ютерної тривимірної графіки при створенні таких фільмів (ранні стереофільми знімалися як звичайні фільми, але з використанням двухоб'ектівних стереокамери).

На сьогоднішній день перегляд фільмів у форматі «3D» став дуже популярним явищем.

Основні використовувані в наш час[Коли?] технології показу стереофільмів [7]:

Доповнена реальність і 3D


Рекламна кампанія Pepsi. В якості маркера використовується логотип Pepsi.

Своєрідним розширенням 3D-графіки є «доповнена реальність». Використовуючи технологію розпізнавання зображень (маркерів), програма доповненої реальності добудовує віртуальний 3D-об'єкт у реальній фізичній середовищі. Користувач може взаємодіяти з маркером: повертати в різні боки, по-різному висвітлювати, закривати деякі його частини - і спостерігати зміни, що відбуваються з 3D-об'єктом на екрані монітора комп'ютера.

Поштовхом до широкого розповсюдження технологій послужило створення в 2008 році відкритої бібліотеки FLARToolKit для технології Adobe Flash.

Чи безпечно 3D

3D-формат кінозображення увірвався в наше життя нестримно, перевернувши колишнє уявлення глядача кінотеатру про форму подачі і сприйняття творінь кінематографу. Дехто з прогресивних громадян вже навіть поспішив зробити висновки про те, що цифрове 3D-кино - це серйозний виклик і навіть загроза існуванню кінотеатрів в класичному форматі і кіноплівковому виробництву в цілому.

Адже технологія 3D-зображення куди прогресивніше ефекту від її перегляду, куди реалістичніше, ніж при класичному плівковому кінематографі. 3D-формат припускає об'ємне зображення, яке виходить завдяки перегляду кінострічки в спеціальних поляризованих окулярах з двостороннім дзеркальним напиленням. Частота зміни кадрів при перегляді кіно 3D-формата в два рази вище, ніж при звичайному перегляді, тобто замість 24 кадрів в секунду глядачеві подається 48 кадрів в секунду. Кінопроектор оснащений особливим фільтром який по черзі подає кадри для обох очей.

Проте перший захват від 3D-технологій поступово став захмарюватися численними скаргами кінолюбителів на дискомфорт і навіть нездужання після перегляду кінострічки в 3D-форматі.

Оксана, 32 роки. Уперше я познайомилася з 3D-кінозображенням нещодавно, коли з сім'єю відпочивала в Ізраїлі. Сеанс тривав хвилин 30, не більше. У спеціальних поляризованих окулярах не дуже затишно себе почувала. Кілька разів знімала їх і просто дивилася на екран.

Матвій 9 років. У нас відкрився новий кінозал в одному з кінотеатрів, де можна подивитися кіно в 3D-форматі. Якість, звичайно, відмінна, але у мене ніс втомився, окуляри важкуваті.

Любов Олексіївна, 48 років. Зацікавилася я цією новинкою, ну 3D-форматом кіно. Пішли з чоловіком випробувати це диво на собі. Спочатку ніби нічого. Дивувалися, захоплювалися. Але у мене потім і очі боліли, і голова.

Олена, 26 років. На 3D-кіно більше не піду. У мене після нього голова сильно боліла. Краще дивитимуся кінострічки в звичному форматі. Мені для повного враження достатньо великого екрану.

І такими відгуками вже повняться віртуальні форуми кіноманів. Та і просто поспілкувавшись зі знайомими про свої враження від 3D-кінематографа, кожен виявить пару-трійку розчарованих в новинці кіноіндустрії.

Услід за скаргами глядачів з'являються виправдувальні пояснення феномену 3D-недомогання від тих, що прокатують. Останні, безумовно, усі звинувачення заперечують і заявляють про надуманість і перебільшеність подібних скарг, про те, що, мовляв, не носять вони масового характеру, а лише є одиничними випадками. Крім того, ті ж ті, що прокатують поспішили зробити винними в просочуванні подібного негативу, компрометуючого 3D-киноиндустрию, виробників кіноплівки, що бажають нібито таким чином продовжити життя вмираючої галузі, на зміну якої вже нестримно прийшли цифрові технології. Ситуацію в даному випадку можуть допомогти прояснити лікарі. І коментарі із цього приводу з боку докторів вже є. Останні визнають можливість негативного впливу 3D-кінозображення на організм людини.Зв'язують доктори цей негатив з реакцією мозку на об'ємне зображення. Адже 3D-формат припускає поєднання за допомогою зорового апарату двох плоских картинок в одну об'ємну, а це у свою чергу веде до додаткового навантаження на мозок і зір.

У якості побічних реакцій на перегляд кіно в 3D-очках лікарі констатують можливість головного болю, проблем із зором і нудоти. Групами ризику в цьому випадку є гіпертоніки, люди з порушеним кровообігом головного мозку епілептики, люди, що носять окуляри в звичайному житті. У гіпертоніків після перегляду фільму в 3D-окулярах може підвищитися тиск, у людей, що носять звичайні окуляри, в результаті подвійного спотворення зображення може розболітися голова, а у епілептиків - навіть початися напад. Так що ж робити обивателеві, простому глядачеві? Вибирати сумнівне для здоров'я, але прогресивне 3D або безпечніше і в комфорті дивитися кіноновинки на звичному великому екрані? Ті ж доктори доки сходяться в одному: говорити про однозначну шкоду для здоров'я перегляду кінострічок в 3D-окулярах некоректно, якщо фільм знятий і демонструється з дотриманням усієї технології подібного прокату. Тобто кінострічка в 3D-форматі має бути правильно знята, а також, що важливо, правильно показана на якісній апаратурі. Ті ж 3D-окуляри повинні зберігатися в спеціальних футлярах і оброблятися спеціальним розчином після кожного перегляду. Якщо порушується хоч одна з приведених вище умов, то у глядачів дійсно можливе погіршення самопочуття.

Але навіть якщо фільм знятий і демонструється якісно, то його все одно не рекомендується дивитися представникам вищеописаних груп ризику. Здоровому ж глядачеві дивитися стереокіно можна не частіше 2-3 раз на тиждень. Тобто у випадку з 3D, як і в будь-якому іншому захопленні, слід знати міру. Приємного і нешкідливого 3D-перегляду!

Кiлькiсть переглядiв: 107

Коментарi