SPŠ NA PROSEKU Počítačová 3D grafika Daniel Beznoskov 10.1.2012 1 IT A
Obsah 1. Úvod... 2 2. Historie... 2 3. Renderování... 3 4. Modelování... 3 5. Texturování... 3 6. Animace... 4 7. Software pro 3D grafiku... 4 8. Zobrazovací zařízení... 5 9. 3D animované filmy oceněné Oscarem... 5 10. Závěr... 6 11. Citovaná literatura... 6 12. Seznam obrázků... 6 13. Seznam tabulek... 6 1
1. Úvod Počítačová trojrozměrná grafika se odlišuje od dvojrozměrné grafiky v tom, že trojrozměrné vyjádření geometrických dat je uloženo v počítači za účelem vykonání výpočtů a renderování 2D obrázků. Takové obrázky mohou být pozdější zobrazovány, nebo sledovány v reálném čase. Navzdory těmto rozdílům se 3D grafika opírá o hodně stejných algoritmů, jako 2D vektorová grafika v drátěnném modelu a 2D rastrová grafika v konečném renderovaném zobrazení. U grafického softwaru je rozdíl mezi 2D a 3D občas zastřený. 2D aplikace mohou používat 3D techniky k vytvoření efektů jako například světla atd. a na druhé straně 3D může používat 2D renderovací techniky. Počítačová 3D grafika je často označována jako 3D modely. Nehledě na grafické renderování, model je obsažený v grafickém souboru. Nicméně jsou zde 3 rozdíly. 3D model je matematicky vyjadřován jako nějaký trojrozměrný objekt (buď neživý, nebo živý). Model není technicky grafický, dokud není zobrazen. V důsledku 3D tisknutí není 3D model omezen virtuální prostor. Model může být virtuálně zobrazen jako dvourozměrný obrázek skrz proces zvaný 3D renderování, nebo použit v negrafických počítačových simulacích a výpočtech. 2. Historie Udává se, že termín "počítačová grafika" poprvé použil William Fetter v roce 1960 při práci v Boeingu. První zobrazení počítačové animace byla animace s názvem Budoucí svět (Futureworld) v roce 1976. Byla to animace lidské tváře a rukou vytvořili ji Ed Catmull a Fred Parke z University of Utah. Před rokem 2000 se vývoj počítačové grafiky značně zrychlil a dá se říci, že se postupně stává dominantním oborem. S rozšířením počítačů do domácnosti byl kladen velký důraz na pohodlné ovládání což je umožněno hlavně díky grafice. Počítačová grafika se tak ze sféry vědecké dostává do sféry spotřební. Začínají vznikat kvalitnější počítačové hry, které spolu s filmovým průmyslem mílovými kroky posunují laťku počítačové grafiky čím dál tím blíže k realistickému zobrazení běžného nevirtuálního světa. Vizualizace však také pomáhá při konstrukci různých technických zařízení, simulaci pevnosti konstrukcí, crash-testech, ale i medicíně a usnadňuje tak každý den práci mnoha lidem v mnoha odvětvích. 2
3. Renderování Renderování převádí model na obrázek buď za pomoci simulací light transport k získání fotorealistických obrázků, nebo použitím nějakého druhu stylu jako non-photorealistic rendering. Dvě základní operace v renderování jsou doprava (jak moc světla se dostane z jednoho místa na jiné) a rozptyl (scattering - jaký povrch ovlivňuje světla). Tyto kroky obvykle vykonává použitý počítačoví 3D grafický software, nebo 3D grafické rozhraní (3D Graphics API). Procesu provádění změn ve scéně do vyhovující formy pro rendering rovněž znamená 3D projekci, která nám dovoluje trojrozměrný obrázek vidět dvourozměrně. Obrázek 1 - Realistické výsledky 3D grafiky 4. Modelování Pojmem 3D modelování se rozumí proces tvarování a vytváření 3D modelu, který může být reprezentován několika způsoby. Modely mohou být vytvořeny na počítači člověkem pomocí modelovacího nástroje, podle dat získaných měřicím přístrojem z reálného světa nebo na základě počítačové simulace. 5. Texturování Jednou z významných činností při tvorbě 3D grafiky je vytváření a mapování textur. Textura je obrázek, kterým je obaleno těleso; v nejjednodušší formě jsou textury používány pro obarvení modelu, ale na tělese může být více vrstev textur, které určují například i průhlednost či lesklost v daném bodě na povrchu. Pomocí textur je možné dosáhnout velmi dobrých výsledků a vysoké úrovně detailu při použití relativně jednoduchého modelu. Každý bod na povrchu tělesa má potom kromě souřadnic X, Y, Z (které určují polohu bodu v prostoru) ještě 2 souřadnice označované většinou jako U a V, které určují umístění textury na daném místě. Proces umísťování textury na povrch tělesa se proto často nazývá UV mapování. 3
6. Animace Nejjednodušší metoda animace zvaná keyframing je založená na stejném principu jako klasická 2D počítačová animace. Spočívá v definování klíčových mezních pozic, mezi kterými potom počítač vytvoří plynulý přechod. Animace postav a mechanických zařízení je ve 3D grafice často založena na animaci kostry modelu. Stejně jako skutečný živý organismus i 3D model má kostru a jednotlivým částem modelu se určí, ke které kosti náleží. Pokročilé 3D grafické nástroje usnadňují animaci kostry díky technice zvané inverzní kinematika[4]. Na rozdíl od klasické animace kostry, kdy animátor určuje úhly všech kloubů, stačí při použití inverzní kinematiky určit pozici několika klíčových částí kostry a polohy kloubů jsou dopočítány algoritmicky. Existuje mnoho dalších technik animace, které se využívají ve 3D grafice. Některé programy umožňují animaci na základě simulace fyzikálních jevů jako je gravitace, pohyb vodní hladiny a podobně. Pro velmi realistickou animaci postav se zase využívá technologie motion capture, kdy je pomocí speciálního zařízení zachycen pohyb živého herce a nahraná data jsou potom aplikována na 3D model postavy. 7. Software pro 3D grafiku 3ds MAX (Autodesk), originálně nazýván 3D Studio MAX, je 3D aplikace používáná ve filmu, televizi, video hrách a architekturu pro Windows a Apple. Může být rozšířeno a upraveno přes SDK nebo skripty použitím Maxscript. Cinema 4D (MAXON) je také používaná nejčastěji ve filmech pro 2.5 práci. Největší počet uživatelů Cinemu používá pro pohybovou grafiku. Je původně vyrobena pro Amiga, ale je dostupná i pro Mac OS X a Windows. Maya (Autodesk) je momentálně používáný ve filmovém, televizním a herním oboru. Maya je vyvíjena několik let jako programová platforma. Je dostupné pro Windows, Linus a Mac OS X. SketchUP Pro (Google) je 3D modelovací program, který obsahuje sketchové modelování. Má Pro versi, která podporuje 2D a 3D exportování funkcí modelů. Bezplatná verze je v balíku s Google Earth. 4
8. Zobrazovací zařízení Abychom mohli správně pochopit vývoj počítačové grafiky, je nutné předem zmínit i vývoj zobrazovacích zařízení. Ta jsou ve své podstatě brzdou, ale i nejdůležitějším zařízením pro tento obor. V době minulé byl např. problém barevná reprezentace dat, dnes je to např. trojrozměrný displej, který (až na několik experimentů, co se k této vizi přibližují) "omezuje" grafiky, ačkoliv data ve trojrozměrné podobě již několik let existují. Počátky zobrazovacích zařízení se vztahují již k roku 1897. Tento rok vymyslel německý fyzik Karl Ferdinand Brown katodovou trubici, která se ve své podstatě používá dodnes. Na tento vynález navázali další vědci. V roce 1925 vytváří skotský vynálezce John Logie Baird první elektro-mechanický "televizor". O dva roky později si Philo Taylor Farnsworth nechává patentovat také první elektronický televizní systém (tedy včetně kamery). CRT displeje se tak začínají šířit světem. Princip je jednoduchý - svazek elektronů rozsvěcuje svojí intenzitou luminofory a ty po nějaký čas září. Televize a dnešní monitory (rastrové displeje) používají pohyb svazku elektronů po řádcích (je tedy obnovován v pravidelných intervalech celý obraz). Jako první displeje se používaly hlavně osciloskopy, později vektorové displeje. Princip spočíval v přímém vykreslování průběhu funkce či úseček přímo elektronovým svazkem (drátový obraz) na rozdíl od překreslování po řádcích celého obrazu. Největší rozmach těchto displejů byl v mezi roky 1960-1970. V osmdesátých letech je nahradila již vyspělejší technologie rastrových displejů. Počátky dnes hojně používaných LCD sahají až do roku 1968, kdy společnost RCA (George Heilmeier) vytvořila první LCD displej. Počátky výzkumu "tekutých krystalů" však sahají téměř do doby vynálezu katodové trubice. Zabýval se jimi již v roce 1904 Otto Lehmann. Přesto však cesta k funkčnímu zobrazovacímu zařízení byla o dost složitější. Momentální vývoj směřuje k vývoji 3D displeje. 9. 3D animované filmy oceněné Oscarem Rok Vítězný film 2011 Toy Story 3 2010 Vzhůru do oblak 2009 Vall-I 2008 Ratatouille 2007 Happy Feet Tabulka 1-3D animované filmy oceněné Oscarem za posledních 5 let 5
10. Závěr asdasdasd 11. Citovaná literatura 1. Loe, Man Bah de Lah tu. Renderování. Wikipedia. [Online] [Citace: 3. 1 2012.] http://cs.wikipedia.org/wiki/po%c4%8d%c3%adta%c4%8dov%c3%a1_3d_grafika. 12. Seznam obrázků Obrázek 1 - Realistické výsledky 3D grafiky... 3 13. Seznam tabulek 6