Технология создания реалистичных трехмерных изображений. Определение понятий «3D-моделирование» и «визуализация»

3D-моделирование и визуализация необходимы при производстве продуктов или их упаковки, а также при создании прототипов изделий и создании объемной анимации.

Таким образом, услуги по 3D-моделированию и визуализации предоставляются тогда, когда:

• нужна оценка физических и технических особенностей изделия еще до его создания в оригинальном размере, материале и комплектации;
• необходимо создать 3D-модель будущего интерьера.

В таких случаях вам точно придется прибегнуть к услугам специалистов в области 3д-моделирования и визуализации.

3D-модели - неотъемлемая составляющая качественных презентаций и технической документации, а также - основа для создания прототипа изделия. Особенность нашей компании - в возможности проведения полного цикла работ по созданию реалистичного 3D-объекта: от моделирования и до прототипирования. Поскольку все работы можно провести в комплексе, это существенно сокращает время и затраты на поиск исполнителей и постановку новых технических заданий.

Если речь идет о продукте, мы поможем вам выпустить его пробную серию и наладить дальнейшее производство, мелкосерийное или же промышленных масштабов.

Определение понятий «3D-моделирование» и «визуализация»

Трехмерная графика или 3D-моделирование - компьютерная графика, сочетающая в себе приемы и инструменты, необходимые для создания объемных объектов в техмерном пространстве.

Под приемами стоит понимать способы формирования трехмерного графического объекта - расчет его параметров, черчение «скелета» или объемной не детализированной формы; выдавливание, наращивание и вырезание деталей и т.д.

А под инструментами - профессиональные программы для 3D-моделирования. В первую очередь - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, а также некоторые другие программы для объемной визуализации предметов и пространства.

Объемный рендеринг - это создание двухмерного растрового изображения на основе построенной 3d-модели. По своей сути, это максимально реалистичное изображение объемного графического объекта.

Области применения 3D-моделирования :

• Реклама и маркетинг

Трехмерная графика незаменима для презентации будущего изделия. Для того, чтобы приступить к производству необходимо нарисовать, а затем создать 3D-модель объекта. А, уже на основе 3D-модели, с помощью технологий быстрого прототипирования (3D-печать, фрезеровка, литье силиконовых форм и т.д.), создается реалистичный прототип (образец) будущего изделия.

После рендеринга (3D-визуализации), полученное изображение можно использовать при разработке дизайна упаковки или при создании наружной рекламы , POS-материалов и дизайна выставочных стендов.

• Городское планирование

С помощью трехмерной графики достигается максимально реалистичное моделирование городской архитектуры и ландшафтов - с минимальными затратами. Визуализация архитектуры зданий и ландшафтного оформления дает возможность инвесторам и архитекторам ощутить эффект присутствия в спроектированном пространстве. Что позволяет объективно оценить достоинства проекта и устранить недостатки.

• Промышленность

Современное производство невозможно представить без допроизводственного моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D-моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс-форм и прототипов объекта.

• Компьютерные игры

Технология 3D при создании компьютерных игр используется уже более десяти лет. В профессиональных программах опытные специалисты вручную прорисовывают трехмерные ландшафты, модели героев, анимируют созданные 3D-объекты и персонажи, а также создают концепт-арты (концепт-дизайны).

• Кинематограф

Вся современная киноиндустрия ориентируется на кино в формате 3D. Для подобных съемок используются специальные камеры, способные снимать в 3D-формате. Кроме того, с помощью трехмерной графики для киноиндустрии создаются отдельные объекты и полноценные ландшафты.

• Архитектура и дизайн интерьеров

Технология 3д-моделирования в архитектуре давно зарекомендовала себе с наилучшей стороны. Сегодня создание трехмерной модели здания является незаменимым атрибутом проектирования. На основании 3d модели можно создать прототип здания. Причем, как прототип, повторяющий лишь общие очертания здания, так и детализированную сборную модель будущего строения.+

Что же касается дизайна интерьеров, то, с помощью технологии 3d-моделирования, заказчик может увидеть, как будет выглядеть его жилище или офисное помещение после проведения ремонта.

• Анимация

С помощью 3D-графики можно создать анимированного персонажа, «заставить» его двигаться, а также, путем проектирования сложных анимационных сцен, создать полноценный анимированный видеоролик.

Этапы разработки 3D-модели

Разработка 3D-модели осущеcтвляется в несколько этапов :

1. Моделирование или создание геометрии модели

Речь идет о создании трехмерной геометрической модели, без учета физических свойств объекта. В качестве приемов используется:

• выдавливание;
• модификаторы;
• полигональное моделирование;
• вращение.

2. Текстурирование объекта

Уровень реалистичности будущей модели напрямую зависит от выбора материалов при создании текстур. Профессиональные программы для работы с трехмерной графикой практически не ограничены в возможностях для создания реалистичной картинки.

3. Выставление света и точки наблюдения

Один из самых сложных этапов при создании 3D-модели. Ведь именно от выбора тона света, уровня яркости, резкости и глубины теней напрямую зависит реалистичное восприятие изображения. Кроме того, необходимо выбрать точку наблюдения за объектом. Это может быть вид с высоты птичьего полета или масштабирование пространства с достижением эффекта присутствия в нем - путем выбора вида на объект с высоты человеческого роста.+

4. 3D-визуализация или рендеринг

Завершающий этап 3D-моделирования. Он заключается в детализации настроек отображения 3D-модели. То есть добавление графических спецэффектов, таких, как блики, туман, сияние и т.д. В случае видео-рендеринга, определяются точные параметры 3D-анимации персонажей, деталей, ландшафтов и т.п. (время цветовых перепадов, свечения и др.).

На этом же этапе детализируются настройки визуализации: подбирается нужное количество кадров в секунду и расширение итогового видео (например, DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV и т.п.). В случае необходимости получить двухмерное растровое изображение, определяется формат и разрешение изображения, в основном - JPEG, TIFF или RAW.

5. Постпродакшн

Обработка отснятых изображений и видео с помощью медиа-редакторов - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (или Final Cut Pro/ Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab и др.

Постпродакшн заключается в придании медиа-файлам оригинальных визуальных эффектов, цель которых - взбудоражить сознание потенциального потребителя: впечатлить, вызвать интерес и запомниться на долго!

3D-моделирование в литейном производстве

В литейном производстве 3D-моделирование постепенно становится незаменимой технологической составляющей процесса создания изделия. Если речь идет о литье в металлические пресс формы, то 3D-модели таких пресс-форм создаются с помощью технологий 3D-моделирования, а также 3D-прототипирования.

Но не меньшую популярность сегодня набирает литье в силиконовые формы. В данном случае - 3D-моделирование и визуализация помогут вам создать прототип объекта, на основе которого будет сделана форма из силикона либо другого материала (дерево, полиуретан, алюминий и т.д.).

Методы 3D-визуализации (рендеринг)

1. Растеризация.

Один из самых простых методов рендеринга. При его использовании не учитываются дополнительные визуальные эффекты (например, цвет и тень объекта относительно точки наблюдения).

2. Рейкастинг.

3D-модель осматривается с определенной, заранее заданной точки - с высоты человеческого роста, высоты птичьего полета и т.д. Из точки наблюдения направляются лучи, которые определяют светотени объекта, когда происходит его рассмотрения в привычном формате 2D.

3. Трассировка лучей.

Данный метод рендеринга подразумевает то, что, при попадании на поверхность, луч разделяется на три компонента: отраженный, теневой и преломленный. Собственно это и формирует цвет пиксела. Помимо этого, от количества разделений напрямую зависит реалистичность изображения.

4. Трассировка пути.

Один из самых сложных методов 3D-визуализации. При использовании данного метода 3D-рендеринга распространение световых лучей максимально приближено к физическим законам распространения света. Именно это и обеспечивает высокую реалистичность конечного изображения. Стоит отметить, что данный метод отличается ресурсоемкостью.

Наша компания предоставит вам полный спектр услуг в области 3D-моделирования и визуализации. Мы располагаем всеми техническими возможностями для создания 3D-моделей различной сложности. А также имеем большой опыт работы в 3d-визуализации и моделировании, в чем можно лично убедиться, изучив наше портфолио, или другие наши работы, пока не представленные на сайте (по запросу).

Бренд-агентство KOLORO окажет вам услуги по выпуску пробной серии продукции или ее мелкосерийному производству . Для этого наши специалисты создадут максимально реалистичную 3D-модель нужного вам объекта (упаковки, логотипа, персонажа, 3D-образца любого изделия, формы для литья и мн. др.), на основе которого будет создан прототип изделия. Стоимость нашей работы напрямую зависит от сложности объекта 3D-моделирования и обсуждается в индивидуальном порядке.

Фотореалистичное изображение 3D сцены - это специальное изображение сцены, в котором учитываются тени, отбрасываемые объектами, а также такие явления как отражение и преломление света.

В программе имеется три различных механизма создания фотореалистичных изображений. Первый из них использует приложение POV-Ray , второй – встроенную технологию NVIDIA OptiX , третий использует Embree - ядро трассировки лучей, разработанное Intel .

Выбор и настройка качества изображения

Создать удачное фотореалистичное изображение с первой же попытки удаётся редко. Обычно требуется создать несколько тестовых фотореалистичных изображений, которые помогают скорректировать положение камеры, яркость и положение источников света, а также проверить правильность анимации. После этого проводится финальная визуализация.

Но создание фотореалистичного изображения может занимать различное время, в зависимости от сложности сцены и параметров, определяющих качество изображения. Знание этих параметров с одной стороны, помогает избежать излишних затрат времени на проведение пробной визуализации, а с другой стороны, помогает добиться более высокого качества финального изображения.

Существуют различные параметры, позволяющие менять качество получаемого фотореалистичного изображения.

Качество сетки . Данный параметр задаётся в параметрах документа (команда ST: Параметры документа), и кроме фотореализма, влияет ещё и на качество отображения объектов в 3D окне.

Кроме того настройку качества изображения можно вызвать при помощи панели Вид .

Чем выше данный параметр, тем дольше ведётся экспорт сцены в формат POV, тем больше оперативной памяти используется POV-Ray и тем дольше POV-Ray ведёт предварительную подготовку сцены перед визуализацией (Parsing). В связи с этим, при проведении предварительной визуализации качество сетки желательно снизить, возможно, даже до минимума. При проведении финальной визуализации лучше установить максимальное качество сетки.

1. Фотореалистичный вид

Данный механизм для генерации фотореалистичных изображений основан на технологии NVIDIA OptiX. Она предназначена для генерации фотореалистичных изображений высокого качества с учётом освещения, а также таких свойств материала, как прозрачность, коэффициент преломления, свойства поверхности и т.д.

Механизм позволяет получать фотореалистичное изображение непосредственно из среды T-FLEX CAD, обеспечивая удобный интерфейс управления параметрами сцены, качеством генерации изображения, а также возможность сохранения результатов генерации в файл и печати. С помощью данного механизма можно получать фотореалистичное изображение не только с трёхмерных моделей, но и с импортированных 3D изображений.

Технология NVIDEA OptiX используется при создании фотореалистичных видео при записи анимации разборки в команде “3VX: Разборка ”

Третий механизм для генерации фотореалистичных изображений использует Embree - ядро трассировки лучей, разработанное Intel.

Для своих расчётов Embree использует центральный процессор и отличается высокой производительностью и качеством изображения.

Интерфейс для работы с NVIDIA Optix идентичен интерфейсу работы с Embree, поэтому они вместе будут описаны ниже.

Работа с командой

Для вызова опции используется команда:

Пиктограмма	Лента
	Инструменты → Оформление → Фотореализм → Фотореалистичный вид (GPU NVIDIA)
Клавиатура	Текстовое меню
<3RV>	Сервис > Фотореалистичный вид (GPU NVIDIA)

Пиктограмма	Лента
	Инструменты → Оформление → Фотореализм → Фотореалистичный вид (CPU)
Клавиатура	Текстовое меню
	Сервис > Фотореалистичный вид (CPU)

После активации команды появляется новое окно, в котором генерируется изображение.

Качество создаваемого изображения во многом зависит от количества итераций. Итерация – вычисление цвета пикселей изображения. Количество итераций зависит от размера изображения, плотности сетки и количества объектов.

Количество итераций отображается в нижней части экрана.

В зависимость от мощности компьютера, сложности модели и установленного качества изображения процесс генерирования изображения может занимать от нескольких минут до нескольких часов.

На инструментальной панели отображаются опции для работы с командой.

Печать изображения . Позволяет вывести получаемое изображение на печать.

Сохранить изображение . Позволяет экспортировать полученное изображение в файлы растровых форматов *.bmp, *.jpg, *gif, *tiff, *tif, *.png, *.tga. Для файла можно задать имя и указать, где он будет храниться.

Параметры вида . Позволяет задавать параметры генерации изображения. Более подробное описание опции дано ниже.

Зафиксировать параметры вида . Позволяет зафиксировать направление взгляда и масштаб изображения. Вращение модели становится невозможным.

Перезапустить генерацию . Запускает генерацию фотореалистичного изображения заново, при этом происходит сброс текущих результатов.

Приостановить генерацию . Позволяет временно прекратить генерацию изображения. При этом высвобождаются затрачиваемые на этот процесс ресурсы компьютера, в связи с чем повышается производительность.

Выбор качества генерируемого изображения . В выпадающем списке можно выбрать одно из четырёх значений качества изображения.

Низкое и среднее качество применяются для черновых вариантов изображений. При выборе такого качества система автоматически высчитывает минимальное количество итерации, необходимое для получения изображений с определённым уровнем «шумов».

Для получения наиболее реалистичных изображений нужно выбрать высокое или максимальное качество. При максимальном качестве количество итераций не ограничено.

Выбор текущей активной камеры . Позволяет выбрать одну из присутствующих в 3D сцене камер. Изображение будет создаваться в соответствии с положением выбранной камеры.

В дополнение к вышеперечисленным опциям, важную роль в создании реалистичных изображений играет настройка « Качество изображения ». Её можно изменить с помощью выпадающего списка в окне ST: Параметры документа на закладке « 3D ».

Чем выше качество, тем выше плотность сетки. Для получения наиболее реалистичных изображений рекомендуется устанавливать качество не ниже чем « Повышенное ».

Данный параметр особенно важен при наличии в модели скругленных поверхностей.

Наглядное различие между изображениями разного качества.

Очень грубое	Стандартное	Очень высокое

Процесс создания фотореалистичных изображений имеет высокие требования к системным характеристикам. Более подробную информацию о них можно найти на нашем сайте или в главе «Быстрое начало ».

Генерации изображения может быть остановлена в любой момент. Получившийся результат можно сохранить на компьютере с помощью опции или сразу же направить на печать опцией .

Результате выполнения операции:

Фотореалистичное изображение

Файлы с примерами создания фотореалистичного изображения находятся в библиотеке « Примеры 3D 15\Сервисные инструменты\Материалы и фотореализм ».

Для удобства работы можно одновременно отображать окно фотореалистичного вида и окно модели на экране. Для этого необходимо воспользоваться командой « WO: Открыть новое окно документа ».

В появившемся диалоговом окне из выпадающего списка необходимо выбрать пункт « Фотореалистичный вид ». С помощью четырёх выпадающих списков можно настроить удобное расположение окон на экране.

Параметры изображения

Вписать в окно . Опция активна только при установленном флаге « ». При включённой опции изображение заданного размера полностью отображается на экране. Фиксированный размер изображения . При активации позволяет задать размер создаваемого изображения. При этом включается опция инструментальной панели « Зафиксировать параметры вида » . Размер изображения задаётся в пикселях. Изображение указанного размера будет создано целиком не зависимо от того, помещается оно на экране или нет. Для получения изображений высокого качества рекомендуется выставлять как можно больший фиксированный размер изображения. Качество изображения . Данная опция повторяет список настроек с главной панели. Единственным отличием является возможность задать количество итераций вручную, выбрав качество изображения « пользовательское » и введя в поле необходимое число. Количество отражений луча . Параметр важен при генерации преломлений и отражений.

Настройки фона и текстуры полностью совпадают с одноименными стандартными параметрами 3D вида. Подробнее о них можно прочитать в главе « Работа с окном 3D вида ».

Коэффициент яркости окружения . Позволяет настаивать яркость сцены, регулируя количество света попадающее на объекты.

Оптимальные параметры для создания фотореалистичного изображения установлены по умолчанию.

Примеры фотореалистичных изображений

NVIDIA Optix:

Embree:

2. Реалистичное изображение

Данный механизм использует технологию POV-Ray, программу применяющую метод трассировки луча. Условия генерации изображения прописываются в T-FLEX CAD в текстовом виде. Приложение POV-Ray включено в поставку. Кроме того, приложение может быть скачано с соответствующего сайта.

Изображение в T-FLEX CAD Фотореалистичное изображение (POV-Ray)

Фотореалистичное изображение получается методом трассировки луча (ray-tracing). Для этого используется приложение POV-Ray, включаемое в поставку.

Следует отметить, что приложение POV-Ray требует отдельной инсталляции. Для этого на установочном компакт–диске нужно выбрать файл « povwin36.exe » из директории «POV-Ray». Установка POV-Ray осуществляется на английском языке. Пользователям, не знакомым с английским языком, рекомендуется нажимать все утверждающие кнопки ([ Next ] , [ Yes ] или [ I Agree ]) в последовательно появляющихся окнах диалога.

Для получения фотореалистичного изображения 3D сцена, используя установки текущего 3D окна, экспортируется в формат POV. Далее для генерации результирующего изображения автоматически запускается приложение POV-Ray. По окончании генерации результирующее изображение можно просмотреть в окне просмотра и при желании сохранить в файл.

При экспорте в POV-Ray текстуры накладываются на объекты так же, как они отображаются в 3D окне T-FLEX CAD. Кроме того, совместно с POV-Ray можно использовать текстуры всех форматов, поддерживаемых POV-Ray (gif, tga, iff, ppm, pgm, png, jpeg, tiff, sys).

Работа POV-Ray осуществляется параллельно другим системам, т.е. после запуска данного приложения можно продолжить работу в T-FLEX CAD. Правда, в зависимости от сложности генерирующегося изображения, POV-Ray может забирать больше ресурсов, и тогда работа в T-FLEX CAD будет замедляться.

Работа с командой

Для создания фотореалистичного изображения используется команда “ 3VY: Создать реалистичное изображение ”. Данная команда доступна в том случае, когда 3D окно активно. Перед вызовом команды необходимо установить 3D сцену в желаемое положение, установить необходимый материал операций, источники света (можно использовать источники света на камере). При создании фотореалистичного изображения рекомендуется пользоваться перспективной проекцией.

Вызов команды осуществляется следующим способом:

Пиктограмма	Лента
	Инструменты → Оформление → Фотореализм → Реалистичное изображение (POV-ray)
Клавиатура	Текстовое меню
<3VY >	Сервис > Реалистичное изображение (POV-ray)

T-FLEX CAD сохраняет информацию о местонахождении приложения POV-Ray и при каждом обращении к нему проверяет его наличие.

В случае, когда POV-Ray вызывается впервые, а также если система не может найти данное приложение, T-FLEX CAD запрашивает путь к нему. В этом случае на экран выводится окно диалога, с помощью которого необходимо задать путь к приложению POV-Ray. Обычно приложение находится по следующему пути: « Program Files\POV-Ray for Windows v3.6\bin ». Отсутствие соответствующей директории говорит о том, что приложение не установлено (см. параграф “ Основные положения ”).

После вызова команды на экране появляется окно диалога.

Ширина и Высота . Задают ширину и высоту создаваемой картинки фотореалистичного изображения в пикселях. По умолчанию устанавливается размер текущего 3D окна.

Сглаживание цвета . Отвечает за сглаживание цвета генерируемого изображения. Значение данного параметра должно быть больше 0.

Чем меньше это значение, тем мягче будет выглядеть переход от одного цвета к другому, но в этом случае визуализация (т.е. расчёт изображения) будет проходить дольше. Значение данного параметра можно выбрать из списка или задать самостоятельно.

В POV-Ray для описания 3D сцены используется специальный язык. С его помощью есть возможность задать для поверхности материала, а также для внутренней части материала, большое количество различных характеристик. Поэтому в T-FLEX CAD у материала есть специальные инструкции, определяющие то, как будет выглядеть материал при визуализации в POV-Ray (команда «3MT : Редактировать материалы », кнопка [ Материал POV ]). При установке флажка « Использовать подстановки материалов », эти инструкции будут передаваться в POV-Ray. Все материалы, входящие в поставку системы, включают специальные инструкции для POV-Ray. Кроме материалов, в POV будут экспортироваться и дополнительные инструкции для источника света (см. " Параметры источника света ", параметр " Инструкции POV ").

Если флажок « Использовать подстановки материалов » отключён, в POV-Ray будут переданы инструкции, автоматически сгенерированные T-FLEX CAD, на основе таких свойств материала как цвет и отражательная способность.

В 3D окне к камере по умолчанию привязаны один или несколько источников света. Данные источники света ориентированы относительно камеры и перемещаются вместе с ней (см. описание "Параметры 3D вида "). Если флажок « Экспортировать источники света на камере » включен, данные источники света передаются в POV-Ray.

Сохранить результат в . Здесь отображается путь к временно создаваемому выходному файлу, который будет использовать POV-Ray для сохранения результирующего изображения в формате bmp, а T-FLEX CAD для его считывания. Поэтому, если приложение T-FLEX CAD будет закрыто раньше, чем получен результат, то изображение из этого файла можно просмотреть позже, используя любую другую программу для просмотра изображений.

Все временно создаваемые файлы в процессе генерации изображения создаются в папке, которая указана в системной переменной TEMP. После создания изображения все файлы, кроме выходного, удаляются. Сам выходной файл хранится в этой папке до создания нового фотореалистичного изображения.

Информация для пользователей, имеющих опыт работы в POV-Ray

Параметры источников света . При создании фотореалистичного изображение с использованием обычных источников света, тени объектов получаются очень чёткие, так как источники света имеют бесконечно малую величину. В реальности, это бывает очень редко, поэтому тени, чаще всего, бывают сглаженными. Применение рассеянных источников света позволяет сделать тени более сглаженными и повысить качество и реалистичность изображения. В рассеянных источниках света вместо одного точечного источника света используются несколько сдвинутых друг относительно друга точечных источников. Чем больше они сдвинуты, тем менее чёткой будет тень. Чем больше количество точечных источников имеет рассеянный источник – тем выше размытость тени и тем больше времени нужно на визуализацию.

Обычный свет Рассеянный свет

Рассеянный источник света в POV-Ray представляет собой множество точечных источников света. Эти источники света размещаются в виде прямоугольника, ориентированного некоторым образом относительно указанного центра. Количество источников света вдоль каждой из сторон прямоугольника может быть разное. Чтобы созданный в T-FLEX CAD источник света стал рассеянным источником света в POV-Ray, в свойствах источника света в поле «Инструкции POV» необходимо записать следующее:

area_light <0.035, 0, 0>, <0, 0.035, 0.035>, 5, 5 adaptive 1 jitter

Здесь в треугольных скобках заданы координаты противоположных углов прямоугольника относительно исходной точки (точки, в которой расположен рассеянный источник света). «5, 5» - это количество источников света в каждом направлении. При этом общее количество точечных источников света составляет 5х5=25. «adaptive 1 jitter» - дополнительные параметры, включающие оптимизацию расчёта теней.

Сглаживание (Antialiasing) . При обычной визуализации на границах объектов могут возникать явления ступенчатости, прерывистости тонких линий. Сглаживание путём проведения дополнительных расчётов может уменьшить негативное влияние данных явлений.

Ступенчатость на границах Сглаживание включено

Сглаживание основано на визуализации частей сцены с увеличенным разрешением. При этом визуализация сцены замедляется. Поэтому на этапе пробной визуализации включать сглаживание не следует. Но для финальной визуализации включить сглаживание желательно.

Рассеянное освещение (Radiosity) . При обычной визуализации учитывается прямое освещение, при котором освещены только те участки объектов, на которые непосредственно попадает свет от источника света. Однако в реальном мире свет исходит не только от источников. Он ещё и отражается от объектов, освященных прямым светом. В POV-Ray есть возможность включить механизм расчёта рассеянного освещения, который в некоторых случаях помогает улучшить реалистичность изображения.

Обычное освещение Рассеянное освещение

В связи с большим количеством дополнительных расчётов, использование механизма рассеянного освещения может привести к существенному замедлению визуализации. Поэтому использование рассеянного освещения при тестовой визуализации следует проводить только в низких разрешениях.

Чтобы включить механизм рассеянного освещения, следует в поле « Включить строки » окна « Создание фотореалистичного изображения » записать следующее:

global_settings {

radiosity { count 500 minimum_reuse 0.018 brightness 0.8}}

Значение приведённых инструкций, а также дополнительные сведения, касающиеся механизма рассеянного освещения, следует искать в документации приложения POV-Ray.

Разрешение изображения . Данный параметр существенно влияет на время, затрачиваемое на визуализацию. При неизменном качестве изображения, скорость визуализации прямо пропорциональна площади результирующего изображения. При тестовой визуализации можно ограничиться небольшими разрешениями, например, 320*240.

Дополнительный INI файл : При запуске приложения POV-Ray создается файл с расширением ini, куда записываются экспортируемые установки. При необходимости можно задать другие установки и даже переопределить генерируемые в T-FLEX CAD, задавая их в этом файле. В этом случае в поле данного диалога указывается имя этого файла.

Включить строки : В поле данного диалога можно вставить строки, являющиеся выражениями, записанными в формате POV, которые будут вставлены в экспортируемый файл.

Пояснение: При запуске команды создается файл в формате POV, который имеет следующую структуру:

● <генерируемые переменные>

● <включаемые строки>

● <экспортированная 3D сцена>.

Генерируемые переменные

В экспортируемый файл включаются следующие переменные:

● fAspectRatio – ширина / высота экрана. При переопределении установок Width и Height в дополнительном INI файле нужно переопределить и эту переменную, используя <включаемые строки>.

● vSceneMin и vSceneMax – вершины куба ограничивающие 3D сцену в 3D пространстве.

● vSceneCenter – центр куба.

● fSceneSize – длина диагонали куба.

● vCameraPos – положение камеры.

● vCamera2Scene – вектор из vCameraPos до центра куба.

● fCamera2Scene – длина вектора vCamera2Scene.

● cBackColor – цвет фона.

Эти переменные могут быть переопределены или использованы во <включаемых строках>.

Например:

#declare cBackColor <0.1, 0.1, 0.1>

distance fCamera2Scene / 2

rgb <0, 0, 1>

fog_offset vSceneMin . z

fog_alt (vSceneMax . z - vSceneMin . z) / 4

up <0, 0, 1>

переопределяет цвет фона и задает синий туман, зависящий от положения и размера 3D – сцены.

После задания всех необходимых параметров для создания фотореалистичного изображения нужно нажать на кнопку [ OK ]. Иногда, при запуске POV-Ray, может возникнуть окно диалога " ", для запуска приложения в этом случае достаточно нажать на кнопку [ OK ].

При создании анимации с включенным фотореализмом в команде « : Анимировать модель » желательно дождаться начала визуализации первого кадра в POV-Ray, чтобы убедиться, что окно « About POV-Ray(tm) for Windows » не появилось и не мешает созданию анимации.

После запуска POV-Ray управление передаётся к T-FLEX CAD (т.е. можно продолжить работу с ним). По окончании генерации изображения или в случае ее прерывания на экран выдается сообщение:

Если необходимо просмотреть результирующее изображение, то нужно нажать на кнопку [ Да ]. В результате открывается окно просмотра, изображение которого можно сохранить в файл. Если просмотр и сохранение результирующего изображения не требуется, то следует нажать на кнопку [ Нет ]. В этом случае, результат фотореалистичного изображения, какое-то время (до создания следующего фотореалистичного изображения) будет храниться в системном каталоге TEMP .

До завершения генерации изображения можно запустить POV-Ray ещё раз (количество таких запусков не ограниченно). Тогда T-FLEX CAD, выполняя экспорт в POV, при окончании процесса генерации предыдущего изображения, произведёт новый запуск приложения POV-Ray. Таким образом, реализуется очередь задач на генерацию изображений, т.е. новая задача запускается после завершения генерации предыдущей.

Примеры фотореалистичных изображений моделей T-FLEX CAD

Прототипы для фотореализма

В стандартной инсталляции существуют прототипы, специально предназначенные для быстрого создания фотореалистичного изображения. Для создания документов на основе данных прототипов необходимо вызвать команду « : Создать новый документ на основе файла прототипа », и на закладке « Фотореализм » выбрать один из двух прототипов: « Комната » или « Облёт вокруг объекта ».

В каждом из этих прототипов заранее создано несколько источников света, камера и система координат для привязки 3D фрагмента. Положение этих элементов можно изменить по своему усмотрению, перемещая соответствующие элементы в окне чертежа. Также в 2D окне есть небольшая инструкция по использованию прототипа.

Обычно работа с этими прототипами ведётся следующим образом: создаётся новый документ на основе одного из прототипа. В этот документ в качестве 3D фрагмента или 3D изображения вставляется 3D модель (в подходящем масштабе), фотореалистичное изображение которой необходимо получить. Далее проводится несколько пробных визуализаций для выявления подходящего расположения источников света и камеры. В конце проводится финальная визуализация.

О настройках, которые необходимо задавать для пробной и финальной визуализации, будет сказано ниже. Но прежде, необходимо сказать об отличительных особенностях каждого из прототипов.

Прототип « Комната » предназначен для создания статичного изображения. В этом прототипе сцена представляет собой «комнату», два источника света и камеру. Кроме этого, для удобства заранее создана система координат для привязки 3D фрагмента. По умолчанию, две стены и потолок «комнаты» не видны, но их можно сделать видимыми, если в 2D окне снять флажок «Скрыть потолок».

Прототип « Облёт вокруг объекта » предназначен как для создания статичного изображения, так и для создания фотореалистичной анимации, в которой камера движется вокруг объекта. Сцена представляет собой большую круглую платформу, три источника света и камеру. В сцене заранее создана система координат для привязки 3D фрагмента. Кроме того, положение камеры связано с выражением и зависит от кадра, в котором находится сцена. 2D окне необходимо задать продолжительность анимации (то есть время, за которое камера облетит вокруг объекта и вернется на исходное место). Анимацию сцены необходимо проводить по переменной «frame», учитывая, что количество кадров в секунду равно 25.

Пример использования прототипа « Облёт вокруг объекта » находится в библиотеке “Примеры 3D 15”, в папке «Сервисные инструменты\ Фотореалистичное изображение\Облёт вокруг объекта». Открыв файл « Сцена на основе прототипа.grb », необходимо в 3D окне выбрать камеру « Камера ». Далее надо использовать команду «AN: Анимировать модель » и провести анимацию по переменной «frame» от 0 до 250 с шагом 1.

Представить, как впишется объект в существующую застройку. Просматривать различные варианты исполнения проекта очень удобно по трехмерной модели. В частности, можно менять материалы и покрытие (текстуры) элементов проекта, проверять освещенность отдельных участков (в зависимости от времени суток), размещать различные элементы интерьера и т.д.

В отличие от ряда САПР, использующих для визуализации и анимации дополнительные модули или сторонние программы, в MicroStation встроены средства для создания фотореалистичных изображений (BMP, JPG, TIFF, PCX и др.), а также для записи анимационных роликов стандартных форматов (FLI, AVI) и набора покадровых картинок (BMP, JPG, TIFF и др.).

Создание реалистичных изображений

Создание фотореалистичных изображений начинается с присвоения материалов (текстур) различным элементам проекта. Каждая текстура применяется ко всем элементам одинакового цвета, лежащим в одном и том же слое. Учитывая, что максимальное количество слоев — 65 тыс., а цветов — 256, можно предположить, что индивидуальный материал реально применить к любому элементу проекта.

Программа предоставляет возможности редактирования любой текстуры и создания новой, основанной на растровом изображении (BMP, JPG, TIFF и др.). При этом для текстуры можно использовать два изображения, одно из которых отвечает за рельефность, а другое — за фактуру материала . Как рельефность, так и фактура обладают различными параметрами размещения на элемент, как-то: масштаб, угол поворота, смещение, способ заполнения неровных поверхностей. Кроме того, рельефность имеет параметр «высота» (изменяемый в диапазоне от 0 до 20), а фактура, в свою очередь, обладает весом (изменяемым в диапазоне от 0 до 1).

Кроме рисунка, у материала существуют следующие настраиваемые параметры: рассеяние, диффузия, глянец, полировка, прозрачность, отражение, преломление, базовый цвет, цвет блика, способность материала оставлять тени.

Отображение текстуры предварительно можно просмотреть на примере стандартных трехмерных тел либо на любом элементе проекта, при этом можно использовать несколько типов затенения элемента. Простые средства создания и редактирования текстур позволяют получить практически любой материал.

Не менее важный аспект для создания реалистических изображений — способ визуализации (рендеринга). MicroStation поддерживает следующие, достаточно известные способы затенения: удаление невидимых линий, закраска невидимых линий, постоянное затенение, плавное затенение, затенение по Фонгу, рейтрейсинг, радиосити, трассировка частиц. При визуализации изображение можно сгладить (убрать ступенчатость), а также создать стереокартинку, которую можно просмотреть, используя очки со специальными светофильтрами.

Существует ряд настроек качества отображения (соответственно скорости обработки изображения) для способов рейтрейсинга, радиосити, трассировки частиц. Для ускорения обработки графической информации MicroStation поддерживает методы графического ускорения — технологию QuickVision. Для просмотра и редактирования созданных изображений также существуют встроенные средства модификации, поддерживающие следующие стандартные функции (которые, конечно, не могут конкурировать с функциями специализированных программ): гамма-коррекция, регулировка оттенков, негатив, размывка, цветовой режим, обрезка, изменение размера, поворот, зеркальное отображение, конвертация в иной формат данных.

При создании реалистичных картинок немалую часть времени занимают размещение и управление источниками света. Источники света подразделяются на глобальное и местное освещение . Глобальное освещение , в свою очередь, состоит из рассеянного света, вспышки, солнечного освещения, света неба. А для солнца, наряду с яркостью и цветом, устанавливается угол азимута и угол над горизонтом. Данные углы могут автоматически вычисляться по указанному географическому положению объекта (в любой указанной на карте мира точке земного шара), а также по дате и времени рассмотрения объекта. Свет неба зависит от облачности, качества (непрозрачности) воздуха и даже от отражения от земли.

Местные источники света могут быть пяти видов: удаленный, точечный, конический, поверхностный, проем для неба. Каждый источник может обладать следующими свойствами: цвет, сила света, интенсивность, разрешение, тень, ослабление на определенном расстоянии, угол конуса и т.д.

Источники света могут помочь в определении неосвещенных участков объекта, где необходимо ставить дополнительные освещение.

Для просмотра элементов проекта с определенного ракурса и для произвольного движения вида по всему файлу используются камеры. При помощи клавиш управления клавиатуры и мышки можно задать девять типов движения камеры: полет, поворот, снижение, скольжение, обход, вращение, плавание, перемещение на тележке, наклон. По четыре различных типа движения можно подключить на клавиатуру и мышь (переключаются режимы удерживанием клавиш Shift, Ctrl, Shift + Ctrl).

Камеры дают возможность осмотреть объект с разных ракурсов и заглянуть внутрь. Варьируя параметры камеры (фокусное расстояние, угол объектива), можно изменять перспективу вида.

Для создания более реалистичных изображений предусмотрена возможность подключения фонового рисунка, например фотоснимка существующего ландшафта .

Большинство пользователей прекрасно осведомлены в том, с помощью какого из комплектующих ПК мы получаем изображения на мониторе – естественно это видеоадаптер. Но вот не многие знают тонкости и нюансы технологий повышения реалистичности трёхмерного изображения, ведь в наше время стремительного развития 3D-графики и появления на свет множества реалистичных компьютерных игр – мало просто вывести хорошее изображение на монитор, нужно его сделать максимально реалистичным.

Мы рассмотрим наиболее распространённые технологии, которые уже устоялись и активно применяются производителями видеокарт. Данный материал рассчитан на опытных пользователей и полагает более подробное внедрение в технологии, чем просто поверхностных обзор.

Технология MIP mapping

Начнём, пожалуй, с наиболее часто применяемой технологии, которая называется MIP mapping . Основное назначение данной технологии – улучшение качественности текстурирования 3D-объектов.

Чтобы изображение выглядело более реалистичным, разработчикам необходимо учитывать, такое важное понятия, как глубина сцены. Реализм, в таком случае, предполагает качественное размытие по мере удаления изображения, а также, изменение цветовых оттенков. Поэтому для построения любых видов поверхностей, используется множество различных текстур, что и даёт возможность регулировать данное явление. Если необходимо, к примеру, построить изображение дороги, которое стремится к горизонту, то в случае применение одной текстуры, о реализме можно просто-напросто забыть, так как на заднем плане появится сплошной цвет или мерцание.

Как раз таки, для реализации этого множества текстур и используется технология Mip mapping , она дает возможность использования текстур с различной степенью детализации, что добавляет свои плюсы, к примеру, реалистичности дороге, которая описана выше.

Принцип действия заключается в определении для каждого пикселя изображения, соответствующей ему Mip-карте, ну а далее идёт выборка по одному текселу (пикселю карту), который присваивается пикселю. Вот такая сложная система, текстурирования изображения, но именно благодаря этой системе, мы чувствуем гораздо больший реализм в играх и 3D-фильмах.

Технологии фильтрации

Эти технологии, как правило, используются совместно с технологией Mip mapping. Технологии фильтрации необходимы для того, чтобы исправить различные артефакты текстурирования. Если говорить просто, то смысл фильтрации заключается в том, чтобы рассчитать цвет объёкта по соседним пикселям.

Фильтрация бывает разных видов:

Билинейная. Когда объект находится в движении, могут быть заметны различного рода перетаскивания пикселей, что в свою очередь вызывает эффект мерцания. Для снижения данного эффекта, используется билинейная фильтрация, принцип работы которой заключается в выборке четырех соседних пикселей, для отображения поверхности текущего.

Трилинейная. Принцип работы трилинейной фильтрации схож с билинейной, но уже более продвинутый, здесь для опеределения цвета текущего пикселя, берется среднее значение 8 пикселей. Трилинейная фильтрация решает множество ошибок связанных с текстурированием обктов и ошибочным расчётом глубины сцены.

Анизатропная фильтрация . Наиболее продвинутый тип фильтрации и на сегодняшний день используется во всех новых видеоадаптерах . С помощью анизатропной фильтрации один пиксель рассчитывается по 8-32 текселам (текстурным пикселям) .

Anti-aliasing (Технология сглаживания)

Суть технологии Anti-aliasing, заключается в устранении зазубренности краев объектов, проще говоря – в сглаживании изображения.

Принцип действия наиболее распространённой технологии сглаживания, заключается в создании плавного перехода, между границей и цветом фона. Цвет точки, которые лежит на границе объектов, определяется средним значением граничных точек.

Итак, с горем пополам были рассмотрены основные технологии повышения реалистичности трёхмерного изображения. Возможно, далеко не всё было понятно, но в любом случае такая углублённая информация не будет лишней.

Для повышения реалистичности отображения наложенных на полигоны текстур используются различные технологии:

· сглаживания (Anti-aliasing);

· MIP – mapping;

· текстурной фильтрации.

Технология сглаживания (Anti-aliasing)

Anti-aliasing – это технология, использующаяся в обработке изображений с целью устранения эффекта «ступенчатых» краев (Aliasing) объектов. При растровом методе формирования изображения оно состоит из пикселей. Из-за того, что пиксели имеют конечный размер, на краях трехмерных объектов можно различить так называемую лестницу или ступенчатые края. Чтобы минимизировать эффект лестницы проще всего увеличить разрешение экрана, уменьшив тем самым размер пикселей. Но этот путь не всегда возможен. Если избавиться от ступенчатого эффекта за счет повышения разрешения монитора нельзя, можно использовать технологию Anti-aliasing, которая позволяет визуально сгладить эффект лестницы. Наиболее часто используемая для этого техника – это создание плавного перехода от цвета линии или края к цвету фона. Цвет точки, лежащей на границе объектов, определяется как среднее значение цветов двух граничных точек.

Существует несколько базовых технологий Anti-aliasing. Наиболее качественный результат впервые дала технология полноэкранного сглаживания FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). В некоторых литературных источниках эта технология носит название SSAA. Суть данной технологии заключается в том, что процессор рассчитывает кадр изображения в гораздо большем разрешении, чем разрешение экрана, а затем при выводе на экран усредняет значения группы пикселей до одного; количество усредненных пикселей соответствует разрешению экрана монитора. Например, если кадр с разрешением 800х600 сглаживается с помощью FSAA, изображение будет рассчитываться в разрешении 1600х1200. При переходе к разрешению монитора цвета четырех рассчитанных точек, соответствующих одному пикселю монитора, усредняются. В результате у всех линий появляются плавные цветовые границы переходов, что визуально устраняет эффект лестницы.

FSAA делает много лишней работы, загружая графический процессор, сглаживая не границы, а изображение целиком, что является его главным недостатком. Для устранения данного недостатка был разработан более экономная технология - MSSA.

Суть технологии MSSA аналогична технологии FSAA, но над пикселями, находящимися внутри полигонов, никаких расчетов не проводится. Для пикселей на границах объектов в зависимости от уровня сглаживания рассчитывается 4 и более дополнительных точек, по которым и определяется итоговый цвет пикселя. Эта технология наиболее распространена в настоящее время.

Известны индивидуальные разработки производителей видеоадаптеров. Например, NVIDIA разработала технологию Coverage Sampling (CSAA), которая поддерживается только видеоадаптерами GeForce, начиная с 8-ой серии (8600 – 8800, 9600 – 9800). Компания ATI ввела в графический процессор R520 и все последующие адаптивное сглаживание ААА (Adaptive Anti-Aliasing).

Технология MIP mapping

Технология используется для улучшения качества текстурирования трехмерных объектов. Для придания реалистичности трехмерному изображению необходимо учитывать глубину сцены. По мере удаления от точки наблюдения накладываемая текстура должна выглядеть всё более размыто. Поэтому при текстурировании даже однородной поверхности чаще всего используется не одна, а несколько текстур, что позволяет корректно учитывать перспективные искажения трехмерного объекта.

Например, необходимо изобразить брусчатую мостовую, уходящую вглубь сцены. Если попытаться использовать всего одну текстуру по всей длине, то по мере удаления от точки наблюдения может появиться рябь или просто один сплошной цвет. Дело в том, что в этой ситуации сразу несколько пикселей текстуры (текселов) попадает в один пиксель на мониторе. Возникает вопрос: в пользу какого одного тексела сделать выбор при отображении пикселя?

Эта задача и решается с помощью технологии MIP mapping, которая подразумевает возможность применения набора текстур с различной степенью детализации. На базе каждой текстуры создается набор текстур с меньшим уровнем детализации. Текстуры такого набора называются MIP – картами (MIP map).

В простейшем случае наложения текстуры для каждого пикселя изображения определяется соответствующая ему MIP – карта согласно таблицы детализации LOD(Level of Detail). Далее из MIP – карты выбирается только один тексел, цвет которого присваивается пикселю.

Технологии фильтрации

Как правило, технология MIP mapping используется в сочетании с технологиями фильтрации, призванными исправить артефакты MIP –текстурирования. Например, при удалении объекта всё дальше от точки наблюдения происходит переход от низкого MIP map-уровня к более высокому MIP map-уровню. В момент нахождения объекта в переходном состоянии от одного MIP map-уровня к другому появляется особый тип ошибок визуализации: явно различимые границы перехода от одного MIP map-уровня к другому.

Идея фильтрации состоит в том, что цвет пикселей объекта рассчитывается по соседним точкам текстуры (текселам).

Первым способом фильтрации текстур был так называемый point sampling, который в современной 3D-графике не используется. Следующей была разработана билинейная фильтрация. При билинейной фильтрации для отображения точки поверхности берется взвешенное среднее значение четырех смежных текстурных пикселей. При такой фильтрации качество медленно вращающихся или медленно двигающихся объектов с гранями (типа куба) низкое (размытые грани).

Более высокое качество дает трилинейная фильтрация, при которой для определения цвета пикселя берётся среднее значение цвета восьми текселов, по четыре из двух соседних структур, и в результате семи операций смешивания определяется цвет пикселя.

С ростом производительности графических процессоров была разработана анизотропная фильтрация, которая успешно применяется до сих пор. При определении цвета точки она использует большое количество текселей и учитывает положение полигонов. Уровень анизотропной фильтрации определяется числом текселей, которые обрабатываются при вычислении цвета пикселя: 2х (16 текселей), 4х (32 текселя), 8х (64 текселя), 16х (128 текселей). Данная фильтрация обеспечивает высокое качество выводимого движущегося изображения.

Все эти алгоритмы реализует графический процессор видеокарты.

Интерфейс прикладного программирования (API)

Для ускорения выполнения этапов 3D-конвейера ускоритель трехмерной графики должен обладать определенным набором функций, т.е. аппаратно, без участия центрального процессора, производить операции, необходимые для построения 3D-изображения. Набор этих функций является важнейшей характеристикой 3D-акселератора.

Поскольку 3D-акселератор имеет собственную систему команд, его эффективное применение возможно лишь в том случае, когда прикладная программа использует эти команды. Но, поскольку различных моделей 3D-акселераторов много, так же как и различных прикладных программ, формирующих объемные изображения, возникает проблема совместимости: невозможно написать такую программу, которая бы одинаково хорошо использовала низкоуровневые команды различных акселераторов. Очевидно, что и разработчики прикладного программного обеспечения и производители 3D-акселераторов нуждаются в специальном пакете служебных программ, который выполняет следующие функции:

эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд 3D-акселератора с учетом особенностей его аппаратного построения;

программную эмуляцию запрошенных функций, если в используемом акселераторе отсутствует их аппаратная поддержка.

Специальный пакет служебных программ для выполнения этих функций называется интерфейсом прикладного программирования (ApplicationProgram Interface = API ).

API занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами акселератора, которые генерируются его драйвером. Использование API избавляет разработчика прикладной программы от необходимости работать с низкоуровневыми командами акселератора, облегчая процесс создания программ.

В настоящее время в 3D существует несколько API, области применения которых довольно четко разграничены:

DirectX , разработанный фирмой Microsoft, используемый в игровых приложениях, работающих под управлением операционных систем Windows 9X и более поздних версий;

OpenGL , используемый в основном в профессиональных приложениях (системы автоматизированного проектирования, системы трехмерного моделирования, тренажеры-симуляторы и т.п.), работающих под управлением операционной системы Windows NT;

Фирменные (native – родные) API , создаваемые производителями 3D-акселераторов исключительно для своих Chipset с целью наиболее эффективного использования их возможностей.

DirectX является жестко регламентированным, закрытым стандартом, который не допускает изменений до выхода в свет своей очередной, новой версии. Это, с одной стороны, ограничивает возможности разработчиков программ и особенно производителей акселераторов, однако значительно облегчает пользователю настройку программного и аппаратного обеспечения для 3D.

В отличие от DirectX, API OpenGL построен на концепции открытого стандарта, имеющего небольшой базовый набор функций и множество расширений, реализующих более сложные функции. Производитель Chipset 3D-акселератора обязан создать BIOS и драйверы, выполняющие базовые функции Open GL, но не обязан обеспечивать поддержку всех расширений. Это порождает ряд проблем, связанных с написанием производителями драйверов для своих изделий, которые поставляются как в полном, так и в усеченном виде.

Полная версия OpenGL-совместимого драйвера носит название ICD (Installable Client Driver – драйвер приложения – клиента). Он обеспечивает максимальное быстродействие, т.к. содержит низкоуровневые коды, обеспечивающие поддержку не только базового набора функций, но и его расширений. Естественно, что с учетом концепции OpenGL создание подобного драйвера исключительно сложный и трудоемкий процесс. Это одна из причин более высокой стоимости профессиональных 3D-акселераторов по сравнению с игровыми.