Трехмерная графика

во-первых – этот многоугольник  всегда является выпуклым, во-вторых –  невозможно расположить три точки  таким образом, чтобы они не принадлежали одной плоскости. То есть, треугольник  – это фигура, которая всегда является выпуклой и плоской, что  позволяет с успехом использовать его в целях трехмерной графики.

Несколько граней, из которых  состоит трехмерный объект, называются сеткой (mesh). "Сетка" представляет собой набор треугольников.

Еще одно понятие, которое  пригодится вам при работе с трехмерной графикой – это понятие вектора. Вектор (vector), так же как и точка, может быть определен тремя параметрами, однако он описывает не положение в пространстве, а направление и скорость движения.

Вектор имеет начало и конец, для его полного определения  нужно знать координаты точки начала и конца вектора, то есть, вместо трех значений координат нам понадобится уже шесть значений. Однако, если по умолчанию принять за начало вектора начало координат (точку 0,0,0) – тогда для его определения хватит и трех точек.

Для создания трехмерной реалистичной модели используются геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и «гладкость» поверхности в целом.

Постановка, состоящая из трехмерного объекта, условий освещения и выбранной точки зрения называется «трехмерной сценой».

Для описания трехмерного пространства и объекта, находящегося внутри его, используется координатный метод.

В двумерной системе  координат существует понятие точки – ее координаты задаются двумя значениями – X и Y. Точки существуют и в трехмерной системе координат – они задаются уже тремя значениями – X, Y, Z.

Точки используют для  того, чтобы задавать координаты вершин многоугольников (полигонов), в частности – треугольников. Треугольник задается тремя точками – A, B, C. Как правило, более сложные трехмерные объекты строятся именно из треугольников.

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.

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.

Моделирование

Схема проецирования  сцены на экран компьютера

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

1. Геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание)
2. Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон)
3. Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения)
4. Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции)
5. Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации)
6. Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.).

Освещение объектов в сцене исполняет ту же роль, которая отведена ему в реальном мире. Существует множество типов освещения.

• окружающий рассеянный свет (ambient light) - это свет, который освещает все объекты сцены с одинаковой интенсивностью. Источник рассеянного света не имеет местоположения.
• точечный источник света (point light) – это источник, который излучает свет во всех направлениях. Его можно сравнить со светом, исходящим от лампочки, не прикрытой абажуром.
• направленный источник света (directional light). Этот источник, в отличие от точечного, не имеет местоположения, однако имеет ориентацию
• зональный источник света (spot light) или прожектор имеет местоположение, ориентацию, а его световой поток ограничен в форме конуса.

Источники света могут  иметь различную интенсивность, различный цвет, при освещении  сцен можно использовать несколько  различных источников. Все это  делает освещение важнейшим элементом трехмерной сцены.

Ре́ндеринг (англ. Rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы. На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Часто в компьютерной графике (художественной и технической) под рендерингом (3D-рендерингом) понимают создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3D-сцене. Изображение— это цифровое растровое изображение.

Если требуется создать  фильм, то рендерится последовательность таких картинок— кадров. 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. Часто для рендеринга используется популярная система V-Ray.

Анимация

Одно из главных призваний  трехмерной графики - создание движения трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации.

Преобразования в трехмерном пространстве

Зная координаты вершин полигонов, из которых состоит объект, мы можем расположить его в  пространстве. Для изменения положения объектов в пространстве существует несколько основных операций, которые могут использоваться для перемещения объектов в трехмерном пространстве. Это – перемещение (translation), вращение (rotation) и масштабирование (scale).

Программное обеспечение

К средствам работы с трёхмерной графикой, относят такой графический редактор как, 3D Studio MAX. Это один из самых известных трёхмерных редакторов, он часто используется при создании фильмов. Разработка программы 3D Studio МАХ была начата в 1993 году. Версия 3D Studio МАХ 1.0 вышла в 1995 году на платформе Windows NT. 

Но кроме 3D Studio MAX есть и другие не менее популярные программы трёхмерного моделирования, например Maya. Maya – эта программа аналог 3D Studio MAX, но она предназначена в первую очередь для анимации и, например, для передачи мимики на лице трёхмерного актёра, так же в Maya удобнее рисовать. 3D Studio MAX направлен в первую очередь на качественную визуализацию предметов, ещё в нём можно выполнять примитивные чертежи.

Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX)— полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32-битных, так и в 64-битных). Весной 2012 года выпущена пятнадцатая версия этого продукта под названием «Autodesk 3ds Max 2013».

Autodesk 3ds Max - доступен в 2 лицензионных версиях: студенческая - бесплатная (требуется регистрация на сайте Autodesk), которая предоставляет полную версию программы которую, однако, нельзя использовать с целью получения прибыли. А также полная (коммерческая) версия, стоимостью в 2000€.

Вообще для черчения существуют свои программы трёхмерного моделирования, самые известные из них AutoCAD, ArhiCAD. AutoCAD предназначен в первую очередь для машиностроительного черчения, а ArhiCAD для архитектурного моделирования.