Počítačová 3D grafika

SPŠ NA PROSEKU
Počítačová 3D grafika
Daniel Beznoskov
10.1.2012
1 IT A
Počítačová 3D grafika
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
Počítačová 3D grafika
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
Počítačová 3D grafika
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
Počítačová 3D grafika
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
Počítačová 3D grafika
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
2010
2009
2008
2007
Toy Story 3
Vzhůru do oblak
Vall-I
Ratatouille
Happy Feet
Tabulka 1 - 3D animované filmy oceněné Oscarem za posledních 5 let
5
Počítačová 3D grafika
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