1

Дәріс №1

Тақырыбы: Үшөлшемді графиканың негізгі технологиялары. Үшөлшемді графиканың жалпы ұғымдары.

Үшөлшемді графика - көлемді объектілерді үшөлшемдік кеңістікте

моделдеу жолымен сурет немесе бейне жасау әдістеріне арналған компьютерлік графика бөлімі.

3D моделдеу - бұл объектінің үшөлшемді моделін жасау процесі. 3D- моделдеу мақсаты - керекті объектінің көлемді визуалды көрінісін жасау. Сонымен қатар модель шынайы өмірдегі объектілерге (автокөліктер, ғимараттар, дауыл, астероид) сәйкес келе алады, немесе толық абстрактілі (төртөлшемді фрактал проекциясы) болуы мүмкін.

Үшөлшемді графика әдетте жазық, екіөлшемді дисплей бетінде немесе қагаз бетінде көрсетілетін виртуалды, қиялдағы үшөлшемді кеңістікпен жұмыс жасайды.

Объектілердің үшөлшемді графикалық бейнесінің артықшылығы: ол арнайы бағдарламалар көмегімен бетке (мысалы, компьютер экраны) сахнаның үшөлшемді моделінің геометриялық проекциясын тұрғызу.Үш өлшемді графика ғылыми есептеулер, инженерлік жобалау және физикалық объектілерді компьютерде үлгілеу облыстарында кең таралған. мысал ретінде үш өлшемді үлгілеудің күрделі нұсқасын - физикалық дененің қозғалатын суретін жасауды қарастыру:
- объектінің шынайы формасына сәйкес келетін виртуалды каркасын (қанқа) жобалау және жасау;

- шынайы физикалық қасиеттері бойынша материалдарға ұқсас виртуалды материалдарды жазу және жобалау;

- объектінің әртүрлі сыртқы бөліктеріне материалдарды меншіктеу;

- объекті әрекет ететін кеңістіктің физикалық параметрлерін баптау– жарық шашу, бет және өзара әрекеттесетін объектілердің қасиеттері;

- объектінің қимылдау жолын беру;

- нәтиже беретін кадрлар қатарын есептеу;

- нәтижесінде шығатын анимациялық рөлге әсерлерді енгізу.

Объектілердің шынайы үлгісін жасау үшін геометриялық фигуралар (тіктөртбұрыш, шар, куб т.б.) және сплайндық бет деп аталатын тегістер қолданылады. Соңғы жағдайда тең өлшемді емес тордағы бикубикалық рациональды В-сплайндар (NURBS) әдісі жиі қолданылады. Мұнда беттің түрі кеңістікте орналасқан демеу нүктелер торымен анықталады. Әр нүктеге, нүктенің жақын өтетін кеңістіктің бөлігіне әсер ету деңгейін анықтайтын коэффициент меншіктеледі. Нүкелердің орналасуының және коэффициенттер өлшемінен кеңістік формасы және «тегістігі» тәуелді болады. Объектінің «қанқасы» құрылып болғаннан кейін оның бетін материалдармен жабу керек.

Компьютерлік үлгілеуде қасиеттердің барлығы беттің көрінуіне арналады, яғни беттің мөлдірлік коэффициентін есептеуге, материалдың шекарасында және қоршаған кеңістікте жарықтың сәулесін сындыруды есептеуге. Бетті бояу Гуро (Ground) немесе Фонга (Phong) әдістермен жүзеге асады.

Бірінші жағдайда фигураның түсі оның төбесінде ғана есептелінеді, одан кейін беті бойынша сызықты түрде жойылады. Екінші жағдайда объектіге нормаль құрылады, оның векторы құрауыш фигуралардың бетімен жойылады және әр нүктенің жарықтануы есептелінеді.

### Үш өлшемді графиканың бағдарламалық құралдары. үш өлшемді графиканы дербес компьютерде өндейтін бағдарламалық құралды үш пакет құрайды. олар windows операциялық жүйесімен басқарылатын машиналар нәтижесінде жұмыс жасайды.

1 Kіnetix фирмасының 3D Studio Max бағдарламасы.

Бастауында Windows платформасы үшін жасалынған. Бұл пакет «жарты маманды» деп саналған. Пакеттің ерекше қасиеттері үш өлшемді графиканың тездету аппаратарының көп санын қолдау, қуатты жарықтық әсерлер, сырттай фирмаларымен қосымшалардың көп жасалуы болып табылады. Аппараттық ресурстарға қойылатын талап төмен болғандықтан орта деңгейлі компьютермен жұмыс жасауға мүмкіндік береді. Бұл пакеттің көмегімен «Звездные войны» фильмінің анимациялық кадрлері жасалынған.

2 Microsoft компаниясының Softimage 3D бағдарламасы.

Бастауында SGI жұмыс станциялары үшін жасалған және жуырдан бастап Windows NT операциялық жүйесіне арналып өзгерді. Бағдарлама үлгілеудің көп мүмкіндіктерімен, физикалық және киноматографикалық параметрлерді басқарудың көп санымен ерекшелінеді. Рендеринг үшін сапалы және жылдам Mental Ray үлгісі қолданылады. SGI арнайы графикалық станция әлемінде бұл бағдарлама «де - факто» стандарты болып есептелінеді, IBM PC платформасында салмақты болып көрінеді және қуатты аппараттық ресурстарды талап етеді. Тұйық пакет, ақпарат тек ағылшын тіліне ғана, Россияда тек 2002 жылы пайда болды. «Прогулки с динозаврами» фильмі жасалынған.

3 Мүмкіндіктер және интерфейс тұрғысынан революциялық болып әйгілі компаниялардың (Alias, Wavefront, TDI) консорцимымен жасалған Maya бағдарламасы.

Пакеттің әртүрлі операциялық жүйеге соның ішінде Windows NT арналған нұсқалары бар, ол үлгілеуден құрылған және келесі бөліктерден тұрады:

- Base – бағдарламаның ядросынан тұрады. Үлгілеудің негізгі құралдарын, инверстік книматиканы, дыбысты жөндеу, физикалық қатты денелердің бейнесін жасау, қимылды рендерингді және әсерлердің негізгі жиынын басып алуды қолдайды.

- Maya F\X – бөлшектердің жүйесін және жұмсақ денелердің ара қатынасу физикасын үлгілеуді жөндеу әсерлерін қолдайтын қосымша үлгілердің жиыны.

- Maya Power Modeler- объектілердің полиногольды және сплайндық үлгілеуінің қуатты құралдарынан тұрады.

- Maya Artisan- виртуалды үлгіні мүсінші және суретшілердің шынайы жұмысына тән әдіспен жөндеуге мүмкіндік беретін алдынғы модуль. Мысалы объектінің бетіне “кистімен” сурет салуға, бетті тегістеп немесе “мүмкін кескіштермен” кедір-бұдырлы қалдырмауға мүмкіндік береді.

- Maya Cloth- киімді үлгілеуге арналған.

- Maya Fur- жүнмен жабылған беттерді немесе аң терісін бейнелеуге арналған модуль.

- Maya Live- шынайы съемкаларды компьютерлік анимациялармен байланыстыратын сценариялық модуль. Maya құралдары төрт топқа бөлінген: Animation (анимация), Modeling (үлгілеу), Dynamic (физикалық үлгілеу), Rendering (визуализация). Ыңғайлы бапталатын интерфейс заманның талабына сай орындалады. Бүгінгі күні үш өлшемді графиканың дербес компьютері үшін өндеу және жасау құралдарының класының ішінде алдыңғы пакет болып табылады.

Жазықтықта үшөлшемді суретті алу үшін келесі қадамдар талап етіледі:

- Моделдеу - сахнаның және ондағы объетілердің үшөлшемді математикалық моделін жасау.

- Текстуралау - модель жазықтығына процедуралық және растрлық құрылымын тағайындау (сондай-ақ материалдар қасиетеріне реттеу - мөлдірлігі, шағылысуы, кедірлігі және тағыбасқалары).

- Жарықтандыру - жарық көздерін орнату жәнереттеу.

- Анимация (кейбір жағдайларда) - объектілерге қозғалыс беру.

- Динамикалық симуляция (кейбір жағдайларда) - бөлшектердің, тығыз/жұмсақ денелері және тағы басқаларының гравитация, жел, итеру және басқа модельдеу күштерімен қатынасының автоматты есептеуі.

- Рендеринг (визуалиция) - таңдалған физикалық моделімен сәйкес проекция тұрғызу.

- Композитинг (ұйымдастыру) - суретті толықпысықтау.

- Алынған суретті шығару құралында шығару - дисплей немесе арнайы принтер.

Модельдеу

Сахнаны модельдеу (виртуалды кеңістікті модельдеу) өзіне бірнеші объектілер категориясын қосады:

- геометрия (әртүрлі техника көмегімен (мысалы, полигональді тор жасау) тұрғызылған модель, мысалығимарат);

- материалдар (модельдің визуалдық қасиеттері туралы мәлімет, мысалы қабырға түсі және терезерлердің жарықты сындыратын және шағатын қасиеттері);

- жарық көздері (бағыт, қуат, жарықтандыру спектрінреттеу);

- виртуалды камералар (проекция тұрғызу бұрышы мен нүктесін таңдау);

- күші мен әсірі (негізі анимацияда қолданылатын объектілердің динамикалық бұрмалауын реттеу);

- қосымша әсерлер (атмосфералық құбылыстарға имитация жасайтын объектілер: тұмандағы жарық, бұлттар, от жәнебасқалары).

Үшөлшемді модельдеудің мақсаты - осы объектілерді сипаттау және болашақ суретке деген талаптармен сәйкес геометриялық түрлендіру көмегімен оларды сахнада орналастыру.

Материалдар тағайы: шынайы фотокамера сенсоры үшін шынай әлем объектілер материалдарын келесі белгі арқылы ажырата алады: материал жарықты қалай шағыстырады, өткізеді және шашыратады; виртуалды материалдарға шынайы материалдар қасиеттеріне сәйкес сипаттамалар беріледі - мөлдірлік, жарықты шағыстыру, кідірлік, жер бедері және тағы асқалары.

Тек модельдеуге арналған ең әйгілі пакеттер:

- PixologicZbrush.

- Autodesk Mudbox, Autodesk 3DS max.

- Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros3D.

- GoogleSketchUp.

- Blender.

- Компас(САПР).

Адамның немесе жаратылыстың үшөлшемді моделін жасау үшін прототип ретінде қолдануға болады.

Текстуралау

Текстуралау үшөлшемді объектінің жазықтығында UV-координат картасымен сәйкес (онда құрылымның екіөлшемді бетінде объектінің әрбір шыңына белгілі бір координат қойылады) растрлық немесе процедералық құрылымдарын проециялау меңзеледі.

Ереже бойынша, UV-координат көпфункциялы редакторлар үшөлшемді графика әмбебап пакеттерінің құрамына кіреді. Тағы тәуелсіз өндірішулерден автономды және қосуға болатын редакторлар бар, мысыалыға Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella және тағы басқалары.

Жарықтандыру

Жасау, бағыттау және виртуалды жарық көздерін реттеуге негізделген. Сонымен қатар виртуалды әлемде жарық көздері өзінің «теріс жарықтану» аймағынан жарықты алып қойып, нәтижесінде жағымсыз қарқындылық болуы мүмкін. Ереже бойынша, 3D-график пакеттері жарықтандыру көздерінің келесі түрлерін ұсынады:

- Omni light (Point light) — барлық бағытты.

- Spot light — конустық (прожектор), шашырайтын сәуле көзі.

- Directional light — параллель сәулелер көзі.

- Area light (Plane light) —жазықтықтан сәуле шығаратын сәуле порталы.

- Photometric – физикалық өлшенетін бірліктерде берілген қызу температурасымен жарықтандыру қарқыны параметрі бойынша модельделетін жарық көзі.

Әртүрлі үшөлшемді графика мен визуализация бағдарламарында өзінің функцияналдық тағайыны бойынша жарық көздерінің тағы басқа түрлері бар. Кейбір пакеттер дәл берілген көлем ауданында көлемді қызу көздерін (Sphere light) немесе көлемді жарықтану көздерін (Volume light) жасауға мүмкіндік береді. Тағы басқалары еркін кескінді геометриялық объектілерді қолдану мүмкіндігін ұсынады. Мамандар негізгі бір жарықтандыру көзінен бастап, ал қалғандарын біртіндеп тесттік рендер шамасына байланысты бір-бірден қосуға кеңес береді.

Анимация

Үшөлшемді графиканың мақсатының бірі – үшөлшемді модельге қозғалыс беру (анимация), немесе үшөлшемді объектілер ортасында қозғалыс имитциясын жасау. Сонымен қатар тек анимацияға арналған және модельдеуге керек өте шектелген құрал- саймандары бар жоғары мамандалған бағдарламалар бар:

- Autodesk Motion Builder.

- PMG Messiah Studio.

Рендеринг

Осы кезеңде кеңістіктік математикалық (векторлық) модель жазық (растрлы) суретке айналады. Егер фильм жасау керек болса, онда осындай суреттер қатары рендерленеді - яғни, кадрлар. Мәліметтер құрылымы ретінде экрандағы сурет нүктелер матрицасы ретінде көрсетілген; онда әрбір нүкте кем болмағанда үш санмен анықталған: қызыл, көк және жасыл түстерінің қарқындылығымен. Осылайша, рендеринг үшөлшемді векторлы мәліметтер құрылымын жазық пикселдер матрицасына түрлендіреді. Бұл қадам жиі өті күрделі есептеулерді талап етеді, әсіресе шынайылық иллюзиясын жасау керек болған жағдайда. Рендерингтің ең қарапайым түрі - жоғарыда айтылғандай проекция арқылы компьютер экранында модельдер күркелерін тұрғызу. Әдетте осы амал жеткілікті, және объектілер жасалынған материалдардың иллюзиясын жасау қажет, сондай-ақ осы объектілердің мөлдір орта (мысалы, шыныдағы су) салдарынан болатын бұрмалауды есепке алукерек.

Бақылау сұрақтары:

1. Үшөлшемді графика тулары түсінігіңіз

2. Компьютерлік графикаға арналған бағдарламалар

3. 3 D модельдеу

4. Модельдеу этаптары