Путеводитель по 3D: что такое трехмерная графика и как она устроена

Что такое трехмерная графика

Трехмерная графика, или 3D-графика, — одно из направлений в области CGI — компьютерной генерации изображений. Это техника, которая позволяет создавать графические объекты с эффектом глубины, что делает их похожими на объекты реального мира. 

С помощью специальных программ дизайнеры могут моделировать, текстурировать, освещать и анимировать 3D-объекты, создавая сложные сцены и виртуальные миры. 

Эти техники широко используются в киноиндустрии для создания визуальных эффектов, в архитектуре для визуализации будущих строений, в видеоиграх для создания реалистичных персонажей и окружения, а также в медицине для трехмерного моделирования частей тела. 3D-модели также применяются и в веб-дизайне, мобильных приложениях, VR — виртуальной реальности и AR — дополненной реальности. 

История появления 3D

Впервые создавать что-то похожее на современные трехмерные модели начали на кафедре по компьютерной графике, которая появилась в 1960-х в Университете Юты. Один из ученых разработал программу под названием Sketchpad, которая стала прародителем современных 3D-редакторов и CAD — систем автоматизированного проектирования. 

Эта программа позволяла пользователю взаимодействовать с компьютером с помощью графического интерфейса. То есть, используя ручку и графический планшет, дизайнеры могли рисовать и манипулировать объектами прямо на экране. 

С тех пор технологии компьютерной графики прошли долгий путь. Трехмерное моделирование стало более сложным и реалистичным благодаря развитию алгоритмов и увеличению вычислительной мощности компьютеров. 

Первые программные продукты для 3D-моделирования использовали методы трассировки лучей для визуализации трехмерных сцен. Также активно развивался метод создания трехмерных объектов, который в настоящее время является основным направлением в этой области.

Спустя почти 20 лет, в середине 1980-х годов появились первые стандарты и адаптеры, которые были предназначены для обработки двумерной графики, такие как MGA, CGA и EGA. Палитра в них состояла всего из 16 цветов, но использовать одновременно можно было только 4 цвета для отображения изображения. 

Со временем вместо адаптеров стали использовать комбинированные устройства, которые состояли из адаптера и 3D-ускорителя, специализирующегося только на обработке трехмерных объектов. 

Затем эти разнородные устройства объединились в единое целое — видеокарту, способную обрабатывать как 2D-, так и 3D-графику. К традиционным графическим процессорам были добавлены специальные шейдеры — микропрограммы, ответственные за обработку сложных визуальных эффектов: бликов, дыма и отражений. 

С их помощью в 1984 году вышел первый 3D-мультфильм — «Приключения Андре и пчелки Уолли». Его сделали в анимационном отделе студии Lucasfilm — будущей компании Pixar. Короткометражка стала первым шагом на пути анимации из плоской в объемную. 

Из чего состоит трехмерная графика 

Трехмерная графика, как каркасный домик, строится из основных «кирпичиков» — полигонов. Полигоны — это геометрические фигуры, которые составляют форму всего 3D-изображения, будь то персонаж в игре или модель машины.

Каждый полигон, в свою очередь, состоит из трех элементов:

1. Вершины. Точки, которые можно представить как углы или концы палочек, из которых строится каркас. Вершины определяют, где конкретно находится каждый уголок фигуры.

2. Ребра. Если вершины — точки, то ребра — линии, которые соединяют эти точки между собой. Можно представить их как палочки или карандаши, которые создают контур фигуры.

3. Грани. Когда мы соединяем вершины ребрами, у нас образуются плоскости, похожие на листы бумаги или куски пластилина, заполняющие пространство между ребрами. Эти плоскости и есть грани. В большинстве случаев в 3D-графике используются треугольные полигоны, потому что они более универсальны для создания любых форм.

Когда мы соединяем множество полигонов вместе, то получаем полный 3D-объект. После того как объект смоделирован, его можно «окрасить» и добавить текстур, что в терминах 3D-графики называется текстурированием. Затем добавляется освещение, которое делает объект более реалистичным, создавая тени и блики. И наконец, объект можно анимировать — заставить двигаться, как живой.

В трехмерной графике важной концепцией является полигональная сетка, которую дизайнеры часто называют «меш». Этот термин относится к коллекции полигонов — обычно треугольников или четырехугольников, — которые соединены вместе для создания формы объекта в трехмерном пространстве. Можно представить «меш» как скелет или остов объекта, а полигоны — как секции кожи, покрывающие этот скелет.

Изменяя расположение вершин полигонов в пространстве, можно изменять форму «меша», создавая разнообразные трехмерные объекты — от простых геометрических фигур до сложных и детализированных моделей, например персонажей или транспортных средств. 

Чем больше полигонов содержит «меш», тем более детализированным и гладким будет объект. Однако слишком большое количество полигонов может сделать модель слишком тяжелой для обработки, что замедлит процесс рендеринга или даже приведет к техническим проблемам.

Процесс выбора оптимального числа полигонов называется оптимизацией, а процесс организации сетки — топологией. Оптимизация требует от дизайнера найти баланс между детализацией объекта и его производительностью в программе или игре. 

Правильная топология помогает понять, что полигоны расположены равномерно и эффективно, что особенно важно при анимации моделей. Например, лицо персонажа требует более сложной топологии в областях, где оно будет много двигаться: вокруг рта и глаз, — чтобы анимация выглядела естественно.

Этапы создания трехмерной графики 

Чтобы создать 3D-модель, нужно пройти через несколько ключевых этапов.

Моделирование

На этом этапе происходит создание основы будущей 3D-модели. Дизайнер строит форму объекта с помощью полигонов. Он может добавлять, удалять, перемещать эти вершины или формировать грани, чтобы создать желаемую форму объекта. В результате получается своеобразный каркас, который выглядит как сетка и обозначает контуры модели.

Текстурирование и материалы

После того как модель смоделирована, ей нужно придать приемлемый внешний вид. Для этого на нее накладываются текстуры — изображения, которые обеспечивают детализацию поверхности, имитируя материалы, например кожу, металл, ткань и другие. 

Анимация

Если модель должна двигаться, к ней применяется анимация. Это процесс, в котором модель получает «кости» — систему скелетной анимации, которая позволяет аниматору двигать и деформировать ее в соответствии с заданными параметрами. Для более сложных вариантов используют методы захвата движения, при которых движения реального актера переносятся на цифровой объект.

Освещение и рендеринг

Финальный этап создания 3D-модели — это установка освещения и рендеринг сцены. Освещение важно, потому что оно определяет, как объект взаимодействует со светом и тенью, что влияет на его восприятие. 

Рендеринг — это процесс, при котором 3D-сцена преобразуется в статичное изображение или видео. В этот момент компьютер поочередно обрабатывает каждый пиксель изображения, рассчитывая, как свет отражается и преломляется, создавая конечное изображение, которое может выглядеть удивительно реалистично.

Читайте также:

Как создают 3D-мультфильмы: полное руководство

Особенности работы с 3D‑графикой

В зависимости от целей создания изображения этапы разработки могут различаться, но общий план действий выглядит идентично:

1. Препродакшн. Здесь происходят разработка концепции, создание эскизов, подбор референсов, согласование с клиентом или командой, а также расчет ресурсов и выбор технологии. Иллюстратор создает эскизы, а арт-директор вырабатывает идеи, участвует в выборе стилистики и согласовании.
2. Продакшн. Этот этап представляет собой процесс создания сцены в выбранной технологии. Например, motion-дизайнер создает объект согласно эскизу, а другой человек рендерит, наносит текстуры и освещает.
3. Постпродакшн. Полученное изображение можно дополнительно обработать в программах для работы с растровой графикой. На этом этапе можно внести изменения в композицию и добавить различные эффекты.
4. Публикация. Здесь подготавливаются файлы в нужных размерах и форматах, чтобы опубликовать результат работы на сайте, в приложении или для других целей.

При создании 3D-анимации порядок этапов остается примерно таким же, за исключением того, что постпродакшн переходит в программы видеомонтажа и VFX.

Области применения

Так как развиваются технологии, процессы и программное обеспечение, то вместе с ними появляются новые возможности, где можно применить графику. Без 3D-технологий трудно представить себе разработку промышленного дизайна, проектирование зданий, создание фильмов и видеоигр, разработку сайтов и мобильных приложений. 

Реклама и брендинг

3D-графика используется для привлечения внимания потребителей. Информацию о продукте или форму для обратной связи на веб-сайте можно представить в трехмерном формате, что значительно привлекательнее по сравнению с традиционным плоским веб-дизайном. Например, бренды одежды создают свои коллекции в 3D-формате, чтобы покупатель мог рассмотреть объект со всех сторон. 

Кинематограф. Графика помогает дорисовать то, чего не хватает в реальности, или вообще создать мир с нуля. Она может быть нарочито фантастической либо, наоборот, очень правдоподобной.

Дизайн интерьеров. C помощью специальных программ можно перенести планировку в 3D и спланировать, как будет выглядеть пространство.

Компьютерные игры. 3D-технологии используются для разработки персонажей, предметов или окружения игрового мира.

Архитектура и строительство. С помощью программ архитекторы и инженеры могут проектировать здания в 3D: делать расчеты нагрузок, разрабатывать дизайн, планировать инженерные коммуникации.

Главное о 3D

1. Трехмерная графика — это одно из направлений в области CGI — компьютерной генерации изображений, в котором изображения создаются при помощи компьютера в трехмерном пространстве.
2. Первым 3D-мультфильм вышел в 1984 году — это были «Приключения Андре и пчелки Уолли». 
3. Чтобы создать 3D-модель, нужно пройти четыре этапа: моделирование, текстурирование, анимация, освещение и рендеринг.
4. Области применения трехмерной графики: кино, реклама, архитектура, компьютерная графика.