V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

От паранойи до здравого смысла буквально рукой подать. И всевозможные системы виртуальной реальности отлично демонстрируют этот тезис. Ведь за столь короткое время было изобретено множество предметов, устройств и технологий, в полезность которых верили только сумасшедшие изобретатели да писатели-фантасты.

Мир 3D - сложный мир для создания, но очень интересный для восприятия. Компьютерная графика может все – хоть создать любую модель, хоть анимировать персонажа.

Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения, 3 Dimensions, рус. «Три измерения») - раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

• моделирование - создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.

• рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

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

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

• Геометрия (построенная с помощью различных техник 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.

Вслед за моделированием идет этап рендеринга. 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. 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).

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги.

В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Шаг вправо, шаг влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях.

Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D-дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошёл ещё дальше. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. А команда исследователей Токийского Университета создали систему позволяющую почувствовать изображение. Излучатель фокусируется на точке где находится палец человека и в зависимости от его положения меняет силу акустического давления. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметами.

Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.

Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования (быстрого «макетирования») ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела.

Принцип оказания влияния 3D на наше зрительское восприятие заключается в задействовании обеих глаз человека, которыми он смотрит на вещи с двух разных углов. Небольшое расстояние между глазами позволяет воспринимать глубину.

В обычном телевизоре действие происходит на одной плоской панели, без какой-либо информации в глубине. Для того чтобы наполнить 3D-иллюзией, производители используют наше мышление, которое осуществляет конструирование 3D-изображений с помощью двух отдельных глаз, при этом обманывая восприятие.

Все это делается с помощью представления двух различных перспектив для каждого глаза, после чего наш мозг все это превращает в 3D, также как это происходит в реальном мире.

В настоящее время подавляющее большинство трёхмерных изображений показывается при помощи стереоскопического эффекта, как наиболее лёгкого в реализации, хотя использование одной лишь стереоскопии нельзя назвать достаточным для объёмного восприятия. Человеческий глаз как в паре, так и в одиночку одинаково хорошо отличает объёмные объекты от плоских изображений.

Трёхмерные, или стереоскопические дисплеи, (3D displays, 3D screens) - дисплеи, посредством стереоскопического или какого-либо другого эффекта создающие иллюзию реального объёма у демонстрируемых изображений.

Использование для обозначения стереоскопических фильмов терминов «трёхмерный» или «3D» связано с тем, что при просмотре таких фильмов у зрителя создаётся иллюзия объёмности изображения, ощущение наличия третьего измерения - глубины и новой размерности пространства уже в 4D. Кроме того, существует ассоциативная связь с расширяющимся использованием средств компьютерной трехмерной графики при создании таких фильмов (ранние стереофильмы снимались как обычные фильмы, но с использованием двухобъективных стереокамер). На сегодняшний день просмотр фильмов в формате «3D» стал очень популярным явлением.

Своеобразным расширением 3D-графики является «дополненная реальность».

Используя технологию распознавания изображений (маркеров), программа дополненной реальности достраивает виртуальный 3D-объект в реальной физической среде. Пользователь может взаимодействовать с маркером: поворачивать в разные стороны, по-разному освещать, закрывать некоторые его части - и наблюдать изменения, происходящие с 3D-объектом на экране монитора компьютера.

Теперь, когда появилась возможность создавать трехмерные модели, дизайнеры хотят, чтобы эта трехмерность была доступна в полном объеме всем зрителям. Уже созданы 3D кинотеатры, 3D принтеры, 3D мониторы, 3D телевидение. Но над этими разработками еще работать и работать, пока каждый человек в своей картине сможет увидеть 3D изображение в объеме.

В серьезных машиностроительных предприятиях и военной отрасли довольно приличное время присутствуют системы виртуальной реальности наподобие CAVE или Workbench.

Только есть ли смысл доносить такие новшества в народ? Из предложенных вариантов для обычного пользователя сегодня подойдут лишь варианты 3D-изображений от AMD/ATI и NVIDIA. Но если удастся создать такую систему, которая ничем не уступит нашему миру, то будет интересно узнать, какая из «реальностей» реальней? Не перепутать бы…

Код для цитирования: Скопировать