26.1. Понятие о 3D-графике

Определения и обозначения

Трёхмерная графика — компьютерная графика, в которой объекты представляются в пространстве с тремя измерениями. Это значит, что их положение и форму описывают не только на плоскости. Такой способ нужен, когда важно показать глубину и рассматривать объект с разных сторон.

Трёхмерная модель — цифровое описание формы и размеров объекта в трёхмерном пространстве. Она задаёт, как устроен объект, но не обязательно содержит его цвет, освещение или готовый вид на экране. Модель нужна, чтобы объект можно было перемещать, изменять и включать в разные сцены.

Сцена — пространство, в котором размещены модели и заданы условия их отображения, например положение камеры и источников света. В ней можно расположить несколько объектов и определить, как они находятся друг относительно друга. Сцена нужна, чтобы подготовить общее окружение для будущего изображения.

Рендеринг — получение изображения сцены на экране с учётом положения камеры, освещения и свойств объектов. Во время этого процесса компьютер рассчитывает, как сцена должна выглядеть с выбранной точки обзора. Рендеринг нужен, чтобы превратить цифровое описание в видимую картинку.

Как это устроено

В двумерном изображении положение точки задают двумя координатами: например, горизонтальной и вертикальной. В пространстве к ним добавляется третье направление, поэтому для точки используют три координаты. Это позволяет описывать не только расположение объекта на плоскости, но и его глубину. Благодаря этому модель можно рассматривать с разных сторон, а не только как плоский контур.

Чтобы построить форму объекта, задают его геометрию — описание того, где находятся его части и как они соединены. Основой могут служить точки, линии и поверхности: из них составляют более сложные формы. Например, поверхности помогают задать внешнюю оболочку предмета, а точки и линии — определить её границы и структуру. Такой способ удобен, потому что сложную модель можно собирать из отдельных элементов и при необходимости менять их.

Отдельная модель описывает один объект, но изображение часто должно показывать несколько объектов вместе. Поэтому модели размещают в общем пространстве сцены и задают их взаимное положение: что находится ближе, дальше, выше или рядом. Сцена может содержать, например, стол и предметы на нём. Общее пространство помогает компьютеру определить, как объекты соотносятся между собой при показе.

Камера задаёт точку и направление, откуда наблюдатель видит сцену. Если переместить камеру, на изображении могут открыться другие стороны модели или измениться её видимый размер. Источники света влияют на яркость поверхностей и появление теней, поэтому помогают передать форму и глубину. Без заданной точки обзора и условий освещения компьютер не сможет определить, каким именно должно быть изображение сцены.

Даже полностью заданная модель ещё не является готовой картинкой, потому что описана в трёхмерном пространстве, а экран представляет собой плоскость. Для показа нужно рассчитать, как точки сцены будут выглядеть с позиции камеры и где окажутся на экране. Этот переход от пространственного описания к плоскому изображению выполняется при рендеринге. В расчёте учитываются не только форма, но также освещение и свойства объектов.

Сравнение двумерной и трёхмерной графики

Чтобы сравнить два изображения, сначала посмотрите, сколько координат нужно для описания точки и где задан объект — на плоскости или в пространстве. Затем учитывайте, что готовая картинка 3D-сцены тоже выводится на плоский экран. Примеры применения подсказывают, для каких задач обычно выбирают каждый вид графики.

Разбор задач

Плоский значок

Условие. Нужно определить, к какому виду графики относится изображение плоского значка и почему. Важно классифицировать не предмет, который значок изображает, а способ представления самого значка. Поэтому сначала выясним, какие измерения использованы в его изображении.

1. Рассматриваем сам значок: он представлен на плоскости, а его элементы расположены по горизонтали и вертикали.
2. Для указания положения точки значка достаточно двух координат; отдельная координата глубины не нужна.
3. Сопоставляем это с определениями: два измерения соответствуют двумерной графике, а три — трёхмерной.

Ответ. Плоский значок относится к двумерной графике. Даже если он изображает объёмный предмет, его изображение задано на плоскости и описывается двумя координатами.

Координаты точки модели

Условие. Точка модели имеет координаты (2; 1; 4). Нужно объяснить, что обозначает каждое число. Здесь не требуется вычислять длину или расстояние: задача проверяет, как координаты связаны с направлениями в пространстве. Названия осей могут зависеть от принятой в программе системы координат.

1. Замечаем, что в записи три числа, потому что точка принадлежит трёхмерному пространству.
2. Первое число, 2, задаёт положение вдоль первого направления, второе, 1, — вдоль второго.
3. Третье число, 4, задаёт положение вдоль третьего направления, которое дополняет плоскость глубиной или высотой.

Ответ. Координаты 2, 1 и 4 показывают положение точки по трём направлениям пространства. Чтобы назвать направления, например ширина, высота и глубина, нужно знать, как именно в конкретной системе координат обозначены оси.

Изображение куба в сцене

Условие. Нужно получить изображение модели куба с определённой точки обзора и при заданном освещении. В условии важно не смешивать форму куба с его положением в сцене и с итоговой картинкой. Разложим подготовку на отдельные шаги, чтобы увидеть, что именно должен рассчитать компьютер.

1. Задаём модель куба: описываем его геометрию, то есть форму и размеры. Это ещё не определяет, с какой стороны куб будет виден.
2. Помещаем модель в сцену и задаём её положение. Затем устанавливаем камеру в нужную точку обзора и направляем её на сцену.
3. Задаём источник света и условия освещения, чтобы компьютер мог рассчитать яркость видимых поверхностей и тени.
4. Выполняем рендеринг: компьютер рассчитывает проекцию сцены с учётом модели, камеры и освещения и формирует изображение.

Ответ. Нужно задать модель куба, сцену с её расположением, положение камеры и освещение, а затем выполнить рендеринг. Только после расчёта получается изображение куба на экране.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что 3D-графика обязательно показывается на объёмном экране. Её могут путать с технологией, которая создаёт особый эффект глубины. На деле трёхмерность относится к описанию модели, а изображение обычно выводится на плоский экран. Проверьте себя: если точки сцены переводятся в пиксели плоского экрана, картинка сама по себе не становится объёмным экраном.

Ошибка: путать координаты модели и пикселей. Первые задают положение точки в пространстве, а вторые — её положение в готовом изображении. Путаница возникает потому, что оба вида координат записывают числами. Чтобы проверить себя, спросите, описывается ли точка до рендеринга в сцене или уже на экране.

Ошибка: считать модель и сцену одним и тем же. Модель описывает отдельный объект, а сцена может включать несколько моделей, камеру и освещение. Эти понятия легко смешать, потому что модель становится частью сцены. Проверка простая: если к объекту добавлены окружение и условия обзора, речь идёт уже о сцене.

Ошибка: полагать, что для картинки достаточно задать форму. Тогда остаются неизвестными точка обзора и то, как свет падает на поверхности. Ошибку допускают, потому что модель уже кажется готовым объектом. Проверьте себя: перед выводом изображения убедитесь, что заданы камера и освещение, а сцену обработал рендеринг.

Связь с другими темами

Для понимания трёхмерной графики полезно знать, как задают точки координатами. В двумерном случае точке соответствуют две координаты, а в пространстве — три. Также нужно различать плоское изображение и пространство, которое оно может показывать. Это помогает не путать устройство модели с видом картинки на экране.

Трёхмерные модели и сцены применяются в компьютерных играх, где создают объекты и игровые пространства. В анимации модели используют для подготовки движущихся изображений, а в проектировании — для представления будущих изделий и конструкций. Визуализация помогает наглядно показать объекты и их устройство. Во всех этих случаях описание сцены становится изображением после рендеринга.

Что запомнить

• В трёхмерном пространстве положение точки задают тремя координатами.
• Трёхмерная модель описывает объект, а не является готовым изображением.
• Сцена объединяет модели и условия их отображения.
• Камера задаёт точку, с которой видна сцена.
• Освещение влияет на вид объектов и теней.
• Рендеринг преобразует описание сцены в изображение.