Den syntese af tredimensionale billeder, ofte forkortet 3D (3D til tre dimensioner: x , y , z , de tre akser, som udgør ortonormal ramme af henvisning til geometri i rummet ) er et sæt af teknikker, navnlig som følge af CAD som tillader gengivelse af objekter i perspektiv på en computerskærm . Det bruges i øjeblikket i vid udstrækning inden for digital kunst i filmindustrien, initieret af Pixar , Disney , DreamWorks , Blue Sky , Illumination og ILM studios, og siden 1992 i mange videospil . Forvirring bør ikke skabes med 3D- termer, der vedrører relief eller stereoskopi .
Pålydende tredimensionelle billeder er det nye navn, der blev givet til perspektivtegning eller maleri siden renæssancen .
Her er et eksempel på et perspektivbillede foretaget af Piero della Francesca i 1475 . Nogle malere bruger perspektografen , den første 3D-tegningsmaskine , til deres billedkompositioner.
Forskellen er, at perspektivet, før computeren kom, blev opnået ved hjælp af grafiske metoder, der stammer direkte fra projektiv geometri . I øjeblikket beregnes design digitalt på basis af tredimensionelle digitale data. Dette gør det muligt let at ændre projektionscenteret og dets forskellige parametre. Især er det muligt at beregne række projektioner ved at flytte projektionspunktet og således producere animationer .
De nuværende computersyntese-billeder er baseret på de samme projiceringsprincipper på et plan og er uadskillelige fra historien om computing. Computergenererede billeder begyndte i de tidlige 1950'ere i USA og var forbeholdt forskning, især universitetsforskning. En idé af Ivan Sutherland fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) blev konstrueret af et katodestrålerør og en optisk blyant til lufttrafikstyring af luftvåbenet, og i 1961 blev der tilføjet et kryds til skærmen for at indikere placeringen af den optiske blyant. Derefter øvede vi 2D-billedet, derefter 3D-billedet, dyrere med hensyn til beregningstid og økonomisk.
Derefter brugte universiteter også tredimensionelle billeder, og i 1967 specialiserede University of Utah sig på dette område, især professorer David C. Evans og Ivan Sutherland, som forsøgte at modellere forskellige objekter såsom bilen. 'Ivan Sutherland og der i 1968 grundlagde firmaet Evans & Sutherland. Så i 1970 oprettede Xerox PARC ( Palo Alto Research Center ), som fungerer meget frit, for uden kommercielle mål; det vil resultere i mange opdagelser, som Xerox ikke er i stand til at udnytte. I 1975 blev et af de mest berømte billeder af computergrafik oprettet, tekanden, som siden er blevet et klassisk testobjekt til 3D-applikationer. Tekanden, der fungerede som model, hviler nu i Boston Computer Museum nær en computer, der gengiver sit tredimensionelle billede.
Indtil 1980'erne var der få mennesker, der nærmede sig dette felt på grund af materialets omkostninger. Men udseendet af personlige computere, som Xerox Star , IBM-PC i 1981 og Apple Macintosh i 1984 , demokratiserede brugen af 3D til undersøgelse og produktion ... Udviklingen af teknologi resulterer i fremragende simuleringer af pendulkørsler eller raketter af NASA eller landskaber og ansigter.
Men det var fra 1990'erne, at computergenererede billeder og 3D blev bredt tilgængelige og udviklet, især med ankomsten af mere kraftfuldt udstyr, der tillod realtid , såsom 3D-kort på Silicon Graphics på avancerede arbejdsstationer og senere hos Amiga og PC-computere med 3D-kort som 3DFX eller i spilkonsoller som PlayStation , Dreamcast . Siden da har 3D-acceleration været en integreret del af computerhardware.
Syntesen af tredimensionelle billeder bruger et vektorrum . Dette rum er opdelt i tre dimensioner af de kartesiske akser, normalt betegnet X , Y og Z .
Tag et referencepunkt i et rum og definer retninger til venstre (X) , bagpå (Y) og op (Z) . For at gå fra oprindelsen til et givet punkt skal du gøre:
Hvis vi kan tillade den rækkefølge, som vi kan foretage forskydningen i, er denne kombination ( x , y , z ) unik: et punkt af delen er repræsenteret af en enkelt triplet, og en triplet repræsenterer et enkelt punkt af delen (se Registrering i flyet og i rummet , kartesisk koordinatsystem og analytisk geometri ). Denne triplet af værdier kaldes koordinaterne for punktet.
Referencepunktet kaldes “oprindelse” og skrives normalt O , det svarer til tripletten (0, 0, 0).
At flytte en værdi a til venstre svarer til at flytte en værdi - a til højre. At gå en b- værdi tilbage er den samme som at gå fremad - b . At gå ned med en værdi c svarer til at gå op med - c . (Se artiklen Relativt heltal ).
Lad os nu tage et simpelt volumen , en polyhedron . Denne polyhedron kan defineres af koordinaterne for dens hjørner. Ved data fra en række værdier [( x 1 , y 1 , z 1 ); ( X 2 , y 2 , z 2 ); …; ( x n , y n , z n )] definerer vi dette volumen.
Tag for eksempel de otte punkter:
Disse otte punkter definerer knudepunkter af en terning , hvis kant har en længde 8, og hvis centrum er O .
Vi har således repræsenteret en terning med et sæt værdier. Dette rum kaldes også en tredimensionel eller "virtuel" matrix i verdenen af 3D-billeddannelse.
3D-billedsyntese er i det væsentlige opdelt i to faser:
I hvert af disse faser findes der et stort antal teknikker. Selvom modellerings- og gengivelsesteknikkerne teoretisk er uafhængige, siger det sig selv, at gengivelse skal være i stand til at udnytte de modellerede data, og meget ofte er en modelleringsteknik tæt forbundet med en gengivelsesteknik.
Modelleringen vil bestå i, at computeren gemmer et sæt geometriske data og grafiske egenskaber, der gør det muligt for modellen derefter at blive repræsenteret . Denne model kaldes normalt en 3D-scene , efter den engelske scene, der betyder "view", vil vi derfor sige "3D-view". Se den dedikerede artikel for mere information:
Typer af modelleringModelleringsprocessen kan enten være automatisk som for en 3D-scanner , hvor et program opretter en computerrepræsentation fra et rigtigt objekt i verden eller manuel ved hjælp af 3D-redigeringssoftware. I sidstnævnte tilfælde er en grafisk designer ansvarlig for at oprette modellen. Denne software kaldes modelere efter den engelske modeler .
Blandt de mest kendte og udbredte software er 3D Studio Max , Maya , XSI , LightWave , Cinema4D, 3D Turbo, Modo og open source software, Blender .
Gengivelsen er igen opdelt i flere faser:
Det sker, at nogle af disse faser udføres på samme tid (f.eks. I 3D-kort)
3d gengivelse motorObjekter, der således er defineret af tal, kan derefter tegnes på en skærm; tredobbelte værdier ( x , y , z ) omdannes til punkter på tegningen. Denne gengivelse bruger generelt begrebet Linear Perspective : jo længere objektet er, jo mindre tegnes det; denne proces kaldes undertiden "ægte 3D" eller "naturlig vision".
Punkternes placering opnås let. Et matrixprodukt udfører en koordinatændring til et koordinatsystem, hvis oprindelse er synspunktet, dybden z ' akse er hovedretningen, vinkelret på gengivelsesfladen, og de to andre akser, x' og y ' er parallelle med bredden og højden af den gengivne overflade. Et prikprodukt med kvotienten for afstanden mellem synspunktet og den gengivne overflade og dimensionen på z ' dybdeakse , returnerer derefter alle punkterne i visualiseringsplanet.
Det aksonometriske perspektiv , den isometriske projektion og de ortogonale fremskrivninger (især isometrisk perspektiv , se: Beskrivende geometri ) er et lineært perspektiv for uendelig betragtningsafstand. Objektets størrelse varierer ikke med afstanden; afstanden er repræsenteret af en forskydning i figurens plan. Det opnås også ved matrixberegning.
Rendering skal generelt bestemme, hvilke dele der er synlige, og hvilke dele der er skjult. Teknikkerne til 3D-billedsyntese skelnede først algoritmerne til beregning af skjulte ansigter, der arbejdede i 3D-rummet på scenen, og dem med fotorealistisk gengivelse, som fungerede i billedets 2D-rum (pixels). Nuværende gengivelsesalgoritmer udfører begge funktioner samtidigt.
Andre gengivelsesalgoritmer tager højde for, at detaljer og kontraster forsvinder med afstanden ( atmosfærisk perspektiv ).
TegningMed disse typer perspektiv forbinder vi en type tegning:
Komplementære teksturkortlægningsteknikker bruges til at gøre mere realistiske effekter uden at gøre 3D-modellerne mere komplekse. For eksempel :
Med disse teknikker opstår der filtreringsproblemer, som er nødvendige for at fjerne artefakter.
Endelig har vi et 2D-billede. Dette billede kunne meget vel have været tegnet direkte i 2D, men det blev beregnet, genereret ud fra 3D-modellen.
3D-verdenen inden for computergrafik er faktisk matematisk reel. Men mekanismen her er omvendt, ligesom en tegner, der reproducerer et værk skulptureret fra alle vinkler på pap. Det todimensionale billede, der er resultatet af gengivelsen af en tredimensionel scene, er ingen ringere end biproduktet fra denne "wireframe" virtuelle verden. Mulighederne for denne teknologi er uendelige, ligesom en tegnekunstner kunne gengive virkeligheden fra et uendeligt antal forskellige vinkler og parametre.
I modsætning til et klassisk tredimensionelt billede giver et volumetrisk (eller volumen) tredimensionelt billede en værdi til alle punkter i rummet (matrixberegninger). Disse er alle forbundet (eller ikke) til hinanden for at danne polygoner , der almindeligvis kaldes facetter. Disse facetter, sammenkoblet med hinanden, udgør i sidste ende det pågældende 3D-objekt. Derudover kan der også findes andre punkter inde i selve objektet, netop dem, som yderligere specifikke funktioner kan tilskrives, hvilket giver objektet et indtryk af masse ud over volumen (f.eks.: Fast objekt / hul objekt).
Reliefsynet kommer af det faktum, at de to øjne, når de to øjne bliver forskudt, ikke ses på samme sted (forskellen i parallaks ). Computeren kan generere to forskellige billeder, den ene ses af det venstre øje, den anden af det højre øje og giver således et indtryk af lettelse.
En enkel måde at skabe denne “kunstige lettelse” består i at generere et enkelt billede, kaldet anaglyf , men indeholdende informationen til begge øjne i to farver, generelt grøn og rød. Tilskueren har briller med et grønt filter på den ene side (dette øje ser kun rød information, som vises i sort, se subtraktiv syntese ) og et rødt filter på den anden side (dette øje ser kun information grøn, som også vises i sort ).
Du kan også arbejde med et enkelt indledende billede med en skøn fordeling af farver. De ovenfor beskrevne briller overdriver den visuelle effekt på disse specielle billeder og bringer billedets motiv i forgrunden i grønt og baggrunden for landskabet i rødt. Dette giver en illusion af stereoskopisk dybde samt lindring.
Intet forhindrer med de nuværende processorer at beregne på få minutter, selv på få sekunder, enkle hologrammer imponeret på film med god opløsning. Processen har faktisk eksisteret siden begyndelsen af 1970'erne ( IBM Systems Journal gav et eksempel på et sådant beregnet hologram i et af dets udgaver i det årti). Processen blev ikke fulgt på det tidspunkt af omkostningsårsager, men kunne dukke op igen i dag.
Selvom teknologien er ens i begge tilfælde ( biograf og videospil ), er der bemærkelsesværdige forskelle. Realtidsbegrænsningen i videospil findes naturligvis ikke i biografen. Dette er grunden til, at de mere detaljerede syntetiske billeder, der bruges i biografen, forudberegnes en efter en, hvilket giver en meget bedre visuel gengivelse. Det er derfor vigtigt at gøre forskellen mellem realtids 3D og forudberegnet 3D. Biograf og videospil er ikke de eneste sammenhænge til brug af 3D-billedsyntese. Andre sammenhænge, især den af den digitale aspektmodel, bruger hybridløsninger, kompromiser mellem realtids 3D og forudberegnet 3D, som i nogle tilfælde gør det muligt at opnå en visuel gengivelse tæt på syntesen af forudberegnet 3D-billede, mens man drager fordel af fordelene ved 3D i realtid.
Real-time 3D bruges faktisk i videospil, men har også mange andre anvendelser: arkitektonisk visualisering, medicinsk visualisering, forskellige simuleringer, pauseskærme ... Den tekniske udfordring, der er forbundet med denne form for 3D, er at opnå det bedst mulige kvalitetsbillede, mens man opretholder et flydende animation, hvilket kræver optimering af skærmberegningerne så meget som muligt. I begyndelsen gik alle beregningerne til computerens centrale processor (CPU), men den stadig større krævede effekt for at forbedre kvaliteten af billederne skubbede producenterne til at markedsføre PCI-kort ( Peripheral Component Interconnect ) , der er specialiseret i 3D. Den første tilgængelige på pc ( personlig computer ) var Voodoo fra 3DFX . I dag indeholder grafikkort langt størstedelen af 3D-accelerationsfunktioner.
Brug af processorer dedikeret til 3D-computing skabte behovet for at definere standard API'er ( applikationsprogrammeringsgrænseflader ), så udviklere let kunne få adgang til accelererede funktioner, og producenterne kunne inkludere dem i processorer. De to mest udbredte 3D-API'er er OpenGL og Direct3D ( DirectX- komponent ), en nyere konkurrent udviklet af Microsoft, men forbeholdt Windows-systemer, mens OpenGL er platformoverskridende. Den Vulkan API er efterkommer af OpenGL , afsluttet i 2016 og som følge af en arbejdsgruppe bestående af de vigtigste spillere i form af 3D-hardware ( AMD , Intel , Nvidia ), den Khronos gruppe . Det er på vej til at blive benchmark, da det er designet til at arbejde med grafikprocessorer på lavt niveau ( GPU'er ), hvilket optimerer adgangen til deres ressourcer (hukommelse, instruktions sæt ). Vulkan bør give en klar forbedring af de forestillinger og de muligheder for udviklerne, uden at skulle ændre hardware, idet modifikation på software-niveau (ved at opdatere de grafikdrivere af systemet). Samsung Galaxy S7- smarttelefonen var den første mobile enhed, der tilbød adgang til Vulkan API , og demonstrationen, der blev foretaget ved hjælp af Unreal Engine 4 3D, har skubbet grænserne for realtids 3D på mobil. Siden Nvidia Shield er Android- tablets også opdateret med Vulkan- support .
Forudberegnet 3D bruges til oprettelse af billeder, specialeffekter og animerede film. Dens største fordel er, at det gør det muligt at opnå meget høj billedkvalitet og høj realisme. Billedet er kvalificeret som "fotorealistisk", når detaljeniveauet er meget vigtigt. Det kan derefter forveksles med et fotografi. I 2001 er Final Fantasy: Creatures of the Spirit den første spillefilm med ambitionen om fotorealisme.
Den forudberegnede 3D tillader ingen interaktivitet. Tilskueren kan ikke handle på 3D-scenen. Det bruges især i biograf eller tv.
Der er en bekymring for beregningstider, men på en helt anden skala end den i realtid 3D. Faktisk i det sidstnævnte kræver en flydende animation, at det er muligt at beregne mere end tyve billeder i sekundet, mens beregningen af et billede i forudberegnet 3D kan tage timer, endda dage. Når alle billederne er beregnet, projiceres de med den ønskede frekvens (24 billeder pr. Sekund for f.eks. 35 mm film ). De genereres ofte på det, der kaldes en beregningsfarm . Det er et stort netværk af computere, der er knyttet til hinanden for at formere computerkraften. Da hvert sekund af animation kræver næsten 30 billeder, betyder det, at netværket i 15 minutter med animation skal generere mere end 27.000 billeder.
Den software beregner disse billeder, "destruktionsanstalter" ( destruktionsanstalter engelsk) er talrige. I årenes løb er forbrugersoftware forbedret betydeligt for at forfine kornet og også for at formidle de reelle virkninger på miljøet, som designteamene forestiller sig. På den anden side er specialiserede firmaer med kunstnere med specialviden inden for modellering, belysning og animation altid nødvendige. Den anden bedst kendte software er RenderMan , Mental Ray , finalRender , Brazil r / s , V-Ray .
En populær teknik til 3D-beregning er "strålesporing" ( raytracing ). I denne teknik "forlader" en lysstråle fra hvert punkt på skærmen og "møder" objekterne spredt i 3D-scenen og "reflekterer" på dem.
Forudberegnet 3D er en blændende succes hos offentligheden, især takket være distributionen i teatrene. Pixar animationsstudie har været dedikeret udelukkende til at skabe CGI-film siden 1980'erne . Han er anerkendt som en pioner inden for området. Især udvikler han RenderMan , en gengivelsesmotor, der anses for at være en af de mest effektive i dag, der bruges til at gengive alle studiets produktioner såvel som for langt størstedelen af computergenererede billeder af spillefilm (se film i computer- genererede billeder og billedsyntese ).
Arkitektur, indretning og reklame bruger i stigende grad disse metoder til at lette salget af fremtidige projekter.
Hybrid 3D sigter mod at forbedre fotorealismen af realtids 3D ved at beregne (og derfor fryse) bestemte parametre, som er dyre at beregne, men hvis kvalitet er afgørende for billedets realisme.
Belysning er en af de dyre parametre. I realtid 3D ofres det: ingen eller få skygger, ingen global belysning. God belysning bringer imidlertid meget til billedets realisme, og det er ofte det, der gør den store forskel mellem realtids 3D og forberegnet 3D. Frysning af denne indstilling kan være et problem, den kan ikke længere ændres i realtid, belysningen kan ikke længere være fuldt dynamisk. Men der er mange sammenhænge med brug af realtids 3D, hvor det ikke er vigtigt at have en helt dynamisk belysning, og hvor vi derfor har råd til at fryse denne belysning.
Er derefter beregnet belysningsteksturer ( lightmaps ), der koder for belysning. Denne beregning er relativt lang (forudberegnet, den udføres ikke i realtid), men når den er gjort, er lysoplysningerne øjeblikkeligt tilgængelige. Kvaliteten af gengivelsen kan så nærme sig det, vi får i forudberegnet 3D, mens det giver interaktivitet i indstillingerne for alle de andre parametre.
I dag bruges computergrafik i ejendomsbranchen. Deres mål er at promovere ejendomsgenstande ved at indsætte billeder i brochurer eller hjemmesider. De bruges også til at skabe salgsfremmende 3D-film, guidede ture og deltage også i oprettelsen af 360 ° virtuelle ture (ved hjælp af virtual reality-headset).
Samtidig med stigningen af online markedspladser ( handelssteder ) bruges computer-genererede billeder i stigende grad af leverandører til at differentiere sig. De opdeler således deres produkter i fotorealistiske billeder. Denne metode har fordelen ved at producere mange billeder til en langt mere fordelagtig pris end en fotosession.