Üç boyutlu görüntüler, sentezi genellikle kısaltılan 3D (üç boyutlu 3B: x , y , z , oluşturan üç eksen ortonormal çerçeve bir referans için boşlukta geometri ), özellikle sonuç olarak, teknik bir dizi CAD Bu, nesnelerin bir bilgisayar monitöründe perspektif içinde temsil edilmesini sağlar . Şu anda Pixar , Disney , DreamWorks , Blue Sky , Illumination ve ILM stüdyoları tarafından başlatılan film endüstrisindeki dijital sanatta ve 1992'den beri birçok video oyununda yaygın olarak kullanılmaktadır . Rölyef veya stereoskopi ile ilgili 3B terimlerle karıştırılmamalıdır .
Mezhep üç boyutlu görüntüler denilen verilen yeni isimdir perspektif çizim veya boyama beri Rönesans .
İşte 1475'te Piero della Francesca tarafından yapılmış bir perspektif görüş örneği . Bazı ressam kullanmak perspectograph , ilk 3D çekme makinası resimsellikle bileşimler için,.
Aradaki fark, bilgisayarların ortaya çıkmasından önce perspektifin doğrudan projektif geometriden türetilen grafik yöntemlerle elde edilmiş olmasıdır . Şu anda tasarımlar, üç boyutlu dijital veriler temelinde dijital olarak hesaplanmaktadır. Bu, projeksiyon merkezini ve çeşitli parametrelerini kolayca değiştirmeyi mümkün kılar. Özellikle izdüşüm noktasını hareket ettirerek dizi projeksiyonları hesaplamak ve böylece animasyonlar üretmek mümkündür .
Mevcut bilgisayar sentez görüntüleri, bir düzlemde aynı projeksiyon ilkelerine dayanmaktadır ve bilgi işlem tarihinden ayrılamaz. Bilgisayar tarafından oluşturulan görüntüler 1950'lerin başında Amerika Birleşik Devletleri'nde başladı ve özellikle üniversite araştırmaları olmak üzere araştırma için ayrıldı. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) Ivan Sutherland'ın bir fikri , Hava Kuvvetleri'nin hava trafik kontrolü için bir katot ışın tüpü ve hafif bir kalem sisteminden inşa edildi, ardından 1961'de konumunu belirtmek için ekrana bir çarpı işareti eklendi. optik kalem. Daha sonra hesaplama süresi ve finansal olarak daha pahalı olan 2D görüntüyü, ardından 3D görüntüyü uyguladık.
Daha sonra üniversiteler üç boyutlu görüntülerden de yararlandı ve 1967'de Utah Üniversitesi bu alanda uzmanlaştı, özellikle de araba gibi çeşitli nesneleri modellemeye çalışan profesörler David C. Evans ve Ivan Sutherland. 1968'de Evans & Sutherland şirketini kurdu . Daha sonra 1970'de Xerox , ticari amaçlar olmadan çok özgürce çalışacak olan PARC'yi ( Palo Alto Araştırma Merkezi ) yarattı ; Xerox'un yararlanamayacağı birçok keşifle sonuçlanacak. In 1975 bilgisayar grafikleri en ünlü resimlerden biri yaratıldı, çünkü 3D uygulamalar için klasik bir deney nesnesi haline gelmiştir çaydanlık. Model olarak kullanılan çaydanlık, şimdi Boston Bilgisayar Müzesi'nde, üç boyutlu görüntüsünü yeniden üreten bir bilgisayarın yanında duruyor.
1980'lere kadar malzeme maliyeti nedeniyle bu alana çok az kişi yaklaştı. Ama gibi kişisel bilgisayarlar, görünümünü Xerox Yıldızı , IBM PC içinde 1981 ve Apple Macintosh içinde 1984 , çalışma ve üretim ... mekik veya roketlerin süper simülasyonları teknoloji sonuçlarının evrim için 3D kullanımını demokratiklaştirilmesi NASA tarafından veya manzaralar ve yüzler.
Ama oldu 1990'larda bilgisayar tarafından oluşturulan görüntüler ve 3D yaygın olarak kullanılabilir oldu ve izin daha güçlü ekipman gelmesiyle birlikte özellikle geliştiğini gerçek zamanlı gibi 3D kartları en Silicon Graphics üzerinde Yüksek uç iş istasyonlarında tüketici daha sonra daha sonra Amiga ve 3DFX gibi 3D kartlara sahip PC bilgisayarlar veya PlayStation , Dreamcast gibi oyun konsolları . O zamandan beri, 3B hızlandırma bilgisayar donanımının ayrılmaz bir parçası olmuştur.
Üç boyutlu görüntülerin sentezi bir vektör uzayı kullanır . Bu uzay, genellikle X , Y ve Z olarak adlandırılan Kartezyen eksenlerinin üç boyutuna bölünmüştür .
Bir odada bir referans noktası alın ve sol-sağ (X) , ön-arka (Y) ve yukarı-aşağı (Z) yönlerini tanımlayın . Orijinden belirli bir noktaya gitmek için yapmanız gerekenler:
Yer değiştirmeyi yapabileceğimiz sırayı değiştirebilirsek, bu kombinasyon ( x , y , z ) benzersizdir: parçanın bir noktası tek bir üçlü ile temsil edilir ve üçlü, parçanın tek bir noktasını temsil eder (bkz. Düzlemde ve uzayda kayıt , Kartezyen koordinat sistemi ve Analitik geometri ). Bu değer üçlüsüne noktanın koordinatları denir.
Referans noktasına “başlangıç” denir ve genellikle O yazılır , üçlüye (0, 0, 0) karşılık gelir.
Bir değer Hareketli a - sola bir değer hareketli eşdeğerdir bir sağa. Bir b değeri geri gitmek , ileriye gitmekle aynıdır - b . Bir c değeri kadar aşağı gitmek , - c kadar yukarı çıkmakla eşdeğerdir . ( Göreceli tamsayı makalesine bakın ).
Şimdi basit bir hacim , bir çokyüzlü alalım . Bu çokyüzlü, köşelerinin koordinatlarıyla tanımlanabilir. Bir dizi değerin verileriyle [( x 1 , y 1 , z 1 ); ( X 2 , y 2 , z 2 ); …; ( x n , y n , z n )], bu hacmi tanımlıyoruz.
Örneğin sekiz noktayı ele alalım:
Bu sekiz nokta , kenarı 8 uzunluğunda ve merkezi O olan bir küpün köşelerini tanımlar .
Böylece bir küpü bir dizi değerle temsil ettik. Bu alan aynı zamanda 3D görüntüleme dünyasında üç boyutlu veya "sanal" matris olarak da adlandırılır.
3D görüntü sentezi temelde iki aşamaya ayrılır:
Bu aşamaların her birinde çok sayıda teknik mevcuttur. Teorik olarak modelleme ve görselleştirme teknikleri bağımsız olsa da, görselleştirmenin modellenen verilerden yararlanabilmesi gerektiğini ve çoğu zaman bir modelleme tekniğinin bir görselleştirme tekniği ile yakından ilişkili olduğunu söylemeye gerek yoktur.
Modelleme, bilgisayarın bir dizi geometrik veriyi ve modelin daha sonra temsil edilmesini sağlayan grafik özelliklerini depolamasını içerecektir . Bu modele genellikle 3D sahne denir , İngilizce sahneden sonra “görünüm” anlamına gelir, bu nedenle “3D görünüm” diyeceğiz. Daha fazla bilgi için ilgili makaleye bakın:
modelleme türleriModelleme işlemi, bir programın dünyanın gerçek bir nesnesinden bir bilgisayar gösterimi oluşturacağı bir 3D tarayıcıda olduğu gibi otomatik veya 3D düzenleme yazılımı kullanarak manuel olabilir. İkinci durumda, modeli oluşturmaktan bir grafik tasarımcı sorumludur. Bu yazılımlara İngilizce modelleyiciden sonra modelleyiciler denir .
En bilinen ve yaygın yazılımlar arasında 3D Studio Max , Maya , XSI , LightWave , Cinema4D, 3D Turbo, Modo ve açık kaynaklı yazılım Blender bulunmaktadır .
Oluşturma sırayla birkaç aşamaya ayrılmıştır:
Bu aşamalardan bazıları aynı anda gerçekleştirilir (örneğin 3 boyutlu haritalarda)
3d işleme motoruBöylece sayılarla tanımlanan nesneler bir ekrana çizilebilir; üçlü değer ( x , y , z ) çizimin noktalarına dönüştürülür. Bu işleme genellikle Doğrusal Perspektif kavramını kullanır : nesne ne kadar uzaktaysa, o kadar küçük çizilir; bu süreç bazen "gerçek 3D" veya "doğal görme" olarak adlandırılır.
Noktaların konumu kolayca elde edilir. Bir matris ürünü , orijini bakış açısı olan bir koordinat sistemine bir koordinat değişikliği gerçekleştirir , derinlik z ' ekseni ana yöndür, işleme yüzeyine diktir ve diğer iki eksen, x' ve y' paraleldir. işlenmiş yüzeyin genişliği ve yüksekliği. Bakış noktası ile oluşturulan yüzey arasındaki mesafe ve z ' derinlik eksenindeki boyut arasındaki bir nokta çarpımı , görselleştirme düzlemindeki tüm noktaları döndürür.
Aksonometrik perspektif , izometrik projeksiyon ve ortogonal çıkıntıların (özellikle izometrik perspektif , bkz geometri ) sonsuz izleme mesafesi için doğrusal bir bakış açısıdır. Nesnenin boyutu mesafeye göre değişmez; mesafe, şeklin düzleminde bir yer değiştirme ile temsil edilir. Ayrıca matris hesaplaması ile elde edilir.
Oluşturma, genellikle hangi bölümlerin görünür olduğunu ve hangi bölümlerin gizlendiğini belirlemelidir. 3B görüntü sentezi teknikleri, ilk olarak, sahnenin 3B alanında çalışan gizli yüzleri hesaplama algoritmaları ile görüntünün 2B alanında (pikseller) çalışan fotogerçekçi işleme algoritmalarını ayırt etti . Mevcut işleme algoritmaları, her iki işlevi de aynı anda gerçekleştirir.
Diğer işleme algoritmaları, ayrıntıların ve kontrastların mesafeyle birlikte kaybolduğu gerçeğini hesaba katar ( atmosfer perspektifi ).
ÇizimBu tür perspektiflerle bir çizim türünü ilişkilendiririz:
3B modelleri daha karmaşık hale getirmeden daha gerçekçi efektler oluşturmak için tamamlayıcı doku eşleme teknikleri kullanılır. Örneğin :
Bu teknikler ile artefaktları ortadan kaldırmak için gerekli olan filtreleme sorunları ortaya çıkmaktadır.
Son olarak, 2 boyutlu bir görüntümüz var. Bu görüntü doğrudan 2B olarak çok iyi çizilebilirdi, ancak 3B modelden hesaplanarak hesaplandı.
Bilgisayar grafiklerindeki 3D dünyası gerçekten de matematiksel olarak gerçektir. Ancak buradaki mekanizma, her açıdan yontulmuş bir işi karton üzerine yeniden üreten bir ressam gibi tersine çevrilir. Üç boyutlu bir sahnenin işlenmesinden kaynaklanan iki boyutlu görüntü, bu "tel çerçeve" sanal dünyasının yan ürününden başkası değildir. Bu teknolojinin olanakları sonsuzdur, tıpkı bir çizim sanatçısının gerçekliği sonsuz sayıda farklı açı ve parametreden yeniden üretebilmesi gibi.
Klasik üç boyutlu bir görüntünün aksine, hacimsel (veya hacimsel) üç boyutlu bir görüntü, uzaydaki tüm noktalara bir değer verir (matris hesaplamaları). Bunların hepsi , genellikle faset olarak adlandırılan çokgenler oluşturmak için birbirine bağlıdır (veya değildir) . Birbirleriyle sırayla bağlantılı olan bu yönler, nihayetinde söz konusu 3B nesneyi oluşturur. Ek olarak, nesneye hacme ek olarak bir kütle izlenimi veren ek özel işlevlerin atfedilebileceği başka noktalar da nesnenin içinde bulunabilir (örn.: Katı nesne / İçi boş nesne).
Rahatlama görüşü, iki gözün dengede olması nedeniyle, bir nesnenin iki göz tarafından aynı yerde görülmemesi gerçeğinden gelir ( paralaks farkı ). Bilgisayar, biri sol gözle, diğeri sağ gözle görülen iki farklı görüntü üretebilir ve böylece bir rahatlama izlenimi verebilir.
Bu "yapay rölyefi" yaratmanın basit bir yolu, anaglif adı verilen , ancak her iki göz için bilgileri genellikle yeşil ve kırmızı olmak üzere iki renkte içeren tek bir görüntü oluşturmaktan ibarettir . Seyircinin bir tarafında yeşil filtreli gözlükler (bu göz sadece siyah görünen kırmızı bilgiyi görür, bkz. Çıkarıcı Sentez ) ve diğer tarafında kırmızı bir filtre (bu göz sadece bilgiyi yeşil görür, o da siyah olarak görünür) ).
Ayrıca, makul bir renk dağılımıyla tek bir başlangıç görüntüsüyle de çalışabilirsiniz. Yukarıda tarif edilen gözlükler, bu özel görüntüler üzerindeki görsel etkiyi abartarak, görüntünün konusunu yeşil ön plana, manzaranın arka planını ise kırmızıya getiriyor. Bu, rahatlamanın yanı sıra stereoskopik derinlik yanılsaması verir.
Mevcut işlemcilerin , iyi çözünürlüğe sahip filmlere basılmış basit hologramları birkaç dakika, hatta birkaç saniye içinde hesaplamasını hiçbir şey engelleyemez . Süreç aslında 1970'lerin başlarından beri var ( IBM Systems Journal , o on yıldaki sayılarından birinde böyle hesaplanmış bir hologramın bir örneğini sağladı ). Süreç o zaman maliyet nedenleriyle takip edilmedi, ancak bugün yeniden ortaya çıkabilir.
Teknoloji iki durumda ( sinema ve video oyunu ) benzer olsa da , dikkate değer farklılıklar vardır. Video oyunlarının doğasında bulunan gerçek zaman kısıtlaması, açıkçası sinemada mevcut değildir. Bu nedenle sinemada kullanılan daha detaylı sentetik görüntüler tek tek önceden hesaplanarak çok daha iyi bir görsel işleme sağlanır. Bu nedenle, gerçek zamanlı 3B ile önceden hesaplanmış 3B arasındaki farkı yaratmak önemlidir. Sinema ve video oyunları, 3D görüntü sentezinin kullanımı için tek bağlam değildir. Diğer bağlamlar, özellikle dijital görünüş modeli , hibrit çözümler kullanır, gerçek zamanlı 3D ve önceden hesaplanmış 3D arasında uzlaşma sağlar; bu, bazı durumlarda, önceden hesaplanmış 3D görüntünün sentezine yakın bir görsel işleme elde etmeyi mümkün kılarken, gerçek zamanlı 3D'nin avantajları.
Gerçek zamanlı 3D aslında video oyunlarında kullanılır, ancak aynı zamanda birçok başka uygulamaya da sahiptir: mimari görselleştirme, tıbbi görselleştirme, çeşitli simülasyonlar, ekran koruyucular… Bu tür 3D'nin doğasında bulunan teknik zorluk, mümkün olan en kaliteli görüntüyü elde etmek ve aynı zamanda bir ekran hesaplamalarını mümkün olduğunca optimize etmeyi gerektiren akıcı animasyon. Başlangıçta, tüm hesaplamalar bilgisayarların merkezi işlemcisine (CPU) gitti, ancak görüntülerin kalitesini iyileştirmek için talep edilen daha fazla güç, üreticileri 3D konusunda uzmanlaşmış PCI ( Peripheral Component Interconnect ) kartlarını pazarlamaya itti . PC'de ( Kişisel Bilgisayar ) bulunan ilk 3DFX'ten Voodoo'ydu . Bugün, grafik kartları, 3B hızlandırma işlevlerinin büyük çoğunluğunu içermektedir.
3D hesaplamaya ayrılmış işlemcilerin kullanımı, standart API'leri ( uygulama programlama arayüzleri ) tanımlama ihtiyacını doğurdu ve geliştiricilerin hızlandırılmış işlevlere kolayca erişmesine ve üreticilerin bunları işlemcilere dahil etmesine olanak sağladı. En yaygın iki 3D API, Microsoft tarafından geliştirilen ancak Windows sistemleri için ayrılmış daha yeni bir rakip olan OpenGL ve Direct3D'dir ( DirectX bileşeni ), OpenGL ise çapraz platformdur. Vulkan API soyundan olan OpenGL , 2016 yılında tamamlanmış ve 3D donanım açısından (bir araya ana oyuncular getirerek bir çalışma grubundan çıkan AMD , Intel , Nvidia ), Khronos grup . Düşük seviyeli grafik işlemcilerle ( GPU'lar ) çalışmak ve kaynaklarına (bellek, komut seti ) erişimi optimize etmek üzere tasarlandığı için kıyaslama olma yolundadır . Vulkan , yazılım düzeyinde yapılan değişiklikle ( sistemin grafik sürücülerini güncelleyerek) donanımı değiştirmek zorunda kalmadan geliştiricilere sunulan performans ve olanakların net bir şekilde iyileştirilmesine izin vermelidir . Samsung Galaxy S7 akıllı telefon , Vulkan API'sine erişim sunan ilk mobil cihazdı ve Unreal Engine 4 3D kullanılarak yapılan tanıtım, mobilde gerçek zamanlı 3D'nin sınırlarını zorladı. Nvidia Shield'den beri Android tabletler de Vulkan desteği ile güncellendi .
Önceden hesaplanmış 3D, görüntülerin, özel efektlerin ve animasyon filmlerinin oluşturulmasında kullanılır. Başlıca avantajı, çok yüksek görüntü kalitesi ve yüksek gerçekçilik elde etmeyi mümkün kılmasıdır. Görüntü, ayrıntı düzeyi çok önemli olduğunda "fotogerçekçi" olarak nitelendirilir. Daha sonra bir fotoğrafla karıştırılabilir. 2001 yılında, Final Fantasy: Creatures of the Spirit , fotogerçekçilik tutkusu olan ilk uzun metrajlı filmdir.
Önceden hesaplanmış 3B, herhangi bir etkileşime izin vermez. Seyirci 3B sahnede hareket edemez. Özellikle sinema veya televizyonda kullanılır.
Hesaplama süreleri için bir endişe var, ancak gerçek zamanlı 3B'den tamamen farklı bir ölçekte. Aslında, ikincisinde, akıcı bir animasyon, saniyede yirmiden fazla görüntünün hesaplanmasının mümkün olmasını gerektirirken, önceden hesaplanmış 3B'de bir görüntünün hesaplanması saatler, hatta günler sürebilir. Tüm görüntüler hesaplandıktan sonra istenen frekansta yansıtılır ( örneğin 35 mm film için saniyede 24 görüntü ). Genellikle bir hesaplama çiftliği adı verilen şey üzerinde oluşturulurlar . Bilgi işlem gücünü çoğaltmak için birbirine bağlı büyük bir bilgisayar ağıdır. Animasyonun her saniyesi yaklaşık 30 görüntü gerektirdiğinden, bu, 15 dakikalık animasyon için ağın 27.000'den fazla görüntü oluşturması gerektiği anlamına gelir.
Yazılım "render" (bu görüntüleri hesaplar oluşturucular İngilizce) çoktur. Yıllar geçtikçe, tüketici yazılımı, tahılı rafine etmek ve aynı zamanda tasarımcı ekipleri tarafından hayal edilen çevre üzerindeki gerçek etkileri iletmek için önemli ölçüde gelişti. Öte yandan, modelleme, ışıklandırma ve animasyon konusunda uzman bilgisi olan sanatçılara sahip uzman firmalar her zaman gereklidir. Diğer en iyi bilinen yazılımlar ise RenderMan , Mental Ray , finalRender , Brazil r/s , V- Ray'dir .
3D hesaplama için popüler bir teknik "ışın izleme"dir ( ışın izleme ). Bu teknikte, bir ışık ışını ekranın her noktasından "ayrılır" ve 3B sahnede dağılmış nesnelerle "karşılaşır" ve üzerlerine "yansıtır".
Önceden hesaplanmış 3D, özellikle sinemalardaki dağıtımı sayesinde genel halk arasında göz kamaştırıcı bir başarıdır. Pixar animasyon stüdyosu , 1980'lerden beri kendisini yalnızca CGI filmleri oluşturmaya adamıştır . Alanında öncü olarak tanınmaktadır. Özellikle, günümüzün en verimlilerinden biri olarak kabul edilen ve tüm stüdyo prodüksiyonlarını ve ayrıca uzun metrajlı filmlerin bilgisayar tarafından oluşturulan görüntülerinin büyük çoğunluğunu işlemek için kullanılan bir işleme motoru olan RenderMan'i geliştiriyor (bkz . oluşturulan görüntüler ve Görüntü sentezi ).
Mimarlık, iç tasarım ve reklamcılık alanları, gelecekteki projelerin satışını kolaylaştırmak için bu yöntemleri giderek daha fazla kullanıyor.
Hybrid 3D, hesaplanması pahalı olan ancak görüntünün gerçekçiliği için kalitesi gerekli olan belirli parametreleri önceden hesaplayarak (ve dolayısıyla dondurarak) gerçek zamanlı 3D'nin foto-gerçekliğini geliştirmeyi amaçlar.
Aydınlatma bu pahalı parametrelerden biridir. Gerçek zamanlı 3D'de feda edilir: gölgeler yok veya çok az, küresel aydınlatma yok. Bununla birlikte, iyi aydınlatma görüntünün gerçekçiliğini büyük ölçüde artırır ve gerçek zamanlı 3D ile önceden hesaplanmış 3D arasındaki büyük farkı yaratan da genellikle budur. Bu ayarın dondurulması bir sorun olabilir, artık gerçek zamanlı olarak değiştirilemez, aydınlatma artık tamamen dinamik olamaz. Ancak, tamamen dinamik aydınlatmaya sahip olmanın şart olmadığı ve bu nedenle bu aydınlatmayı dondurmayı göze alabileceğimiz gerçek zamanlı 3D kullanımının birçok bağlamı vardır.
Daha sonra aydınlatmayı kodlayan aydınlatma dokuları (ışık haritaları ) hesaplanır . Bu hesaplama nispeten uzundur (önceden hesaplanır, gerçek zamanlı olarak yapılmaz), ancak bir kez yapıldığında aydınlatma bilgileri anında kullanılabilir hale gelir. Oluşturmanın kalitesi, diğer tüm parametrelerin ayarlarında etkileşim sağlarken, önceden hesaplanmış 3B'de elde ettiğimiz şeye yaklaşabilir.
Günümüzde emlak sektöründe bilgisayar grafikleri kullanılmaktadır. Amaçları, broşürlere veya web sitelerine resimler ekleyerek gayrimenkul nesnelerini tanıtmaktır. Ayrıca tanıtım amaçlı 3D filmler, rehberli turlar oluşturmak ve 360 ° sanal turların oluşturulmasına (sanal gerçeklik kulaklıkları kullanarak) katılmak için kullanılırlar.
Aynı zamanda, çevrimiçi pazaryerlerinin ( tüccar siteleri ) yükselişiyle birlikte, tedarikçiler tarafından kendilerini farklılaştırmak için sentetik görüntüler giderek daha fazla kullanılmaktadır. Böylece ürünlerini foto-gerçekçi görüntülerde sahneliyorlar. Bu yöntem, bir fotoğraf çekiminden çok daha avantajlı bir maliyetle birçok görsel üretme avantajına sahiptir.