Использование 3D формата в информационных технологиях

ВВЕДЕНИЕ

История 3D

Что такое трехмерная графика? Определений этого понятия существует достаточно много. Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Слишком формально? Хорошо, предложим другое определение, позаимствовав его у Михаила Марова. В одной из своих книг он приводит следующую формулировку: «3D графика предназначена для имитации фотографирования или видеосъемки трехмерных образов объектов, предварительно подготовленных в памяти компьютера». Определений одного и того же понятия существует десятки, но суть, ядро столь обширной области деятельности остается неизменным. CG является результатом усилий сотен специалистов, которые в далекие годы работали и верили в то, что будущее будут определять компьютерные технологии и 3D в частности. Сегодня мы расскажем о наиболее выдающихся личностях и технологических решениях, заложивших фундамент современной 3D индустрии. Пафосно звучит? Безусловно, а как иначе, ведь 3D – это творчество без границ!

 Великие и могучие (60-е – 70-е)

 Отцы-основатели 

 Одним из отцов компьютерной  графики специалисты называют  Ивана Сазерленда, который, будучи  аспирантом, написал программу Sketchpad, позволявшую создавать простенькие трехмерные объекты.

После защиты диссертации на тему «Наука компьютерной графики» Иван и доктор Дэвид Эванс (David Evans) открывают в университете города Юты первую кафедру компьютерной графики. Молодые и амбициозные друзья–коллеги ставят перед собой благородную цель – привлечение талантливых ученых-энтузиастов для разработки перспективной области высоких технологий.

 Среди студентов оказался  и Эд Катмулл (Еd Catmull), ныне технический директор корпорации Pixar. Именно Эд Катмул впервые смоделировал объект. В качестве предмета для моделирования выступила кисть его собственной руки. Между прочим, Джим Блинн (Jim Blinn), создатель bump mapping и environment mapping, первых компьютерных анимаций для NASA и, конечно же, знаменитого материала blinn, являлся студентом Ивана Сазерленда. О себе товарищ Блинн говорит следующее: «В детстве я любил коллекционировать почтовые марки, сейчас же предпочитаю собирать упаковки от маргарина и алгоритмы для рисования кружочков». Иван Сазерленд с большим уважением относится к своему ученику, и в одном из интервью прославленный ученый заметил: « В мире существует не больше дюжины истинных творцов компьютерной графики и Джим – это ровно половина от общего числа». Сумасшедшая концентрация интеллектуальной энергии в районе университета Юты, по-видимому, никому не давала спать спокойно и просто-таки заставляла людей безудержно мыслить и творить. Например, техника Phong shading была разработана вьетнамским тридэшником Би Тюн Фонгом (Bui Tuong Phong), который также являлся студентом кафедры компьютерной графики в Юте. А принцип Gouraud shading родился в голове французского ученого Анри Гюра (Henri Gouraud), преподававшего в теперь уже хорошо знакомом читателю университете Юты.

 В 1969 году Сазерленд  и Эванс открыли первую компанию, которая занималась производством  компьютерной графики, назвали просто - "Evans & Sutherland". Изначально компьютерная графика и анимация использовалась преимущественно в рекламе и на телевидении. К примеру, компьютерной компании MAGI принадлежит заслуга в создании первой в истории коммерческой компьютерной анимации: вращающийся логотип IBM на одном из мониторов в офисе компании появился в начале 70-х годов.

 MAGI/Synthavision

 Компания Mathematics Application Group, Inc была открыта в 1966 году группой ученых-физиков, которые собирались изучать радиационное поле. Позднее их программное решение Synthavision, изначально ориентированное именно для изучения радиационных лучей, будет адаптировано и применено в области рендеринга, в качестве фундаментальной системы для технологии ray-tracer. Именно MAGI разработала метод "трассировки лучей" ("ray-tracing"), суть которого заключается в отслеживании обратного хода попадаемого в камеру луча, проложенного от каждого элемента изображения. Этим методом хорошо просчитываются отражения, тени, блики, геометрические объекты и т.д.

 Среди многочисленных  сотрудников компании упоминания  заслуживают Евгений Трубецкой (потомок  иммигрантов из России) и Карл  Людвиг (Carl Ludwig) - они внесли наибольший вклад в разработку технологии ray-tracer. На сегодняшний день Карл Людвиг возглавляет отдел R&D студии Blue Sky, а Евгений Трубецкой руководит кафедрой компьютерной графики при Колумбийском университете.

 Отметим также систему  моделирования, разработанную компанией  MAGI. Система моделирования являлась процедурной – модели создавались путем комбинирования 25 геометрических фигур, имевшихся в библиотеке программы. Из простейших фигур, вроде пирамиды, сферы и цилиндра создавались более сложные, которые впоследствии становились основой для конечной 3D-модели. Программа Synthavision разрабатывалась в течение пяти лет и была использована при создании знаменитого киношедевра «Трон» (1982).

 Information International Inc (Triple-I)

 Ну а раз уж упомянули MAGI/Synthavision, то следует рассказать и о компании Triple–I, которая также внесла огромный вклад в развитие 3D технологий. Компания была открыта в 1962 году и изначально специализировалась на производстве оборудования для сканирования видеоматериала. В 1975 году руководство компании открывает отделение компьютерной графики и анимации. В отличие от компании MAGI, использовавшей геометрические фигуры, Triple-I задействовала в качестве простейших единиц треугольники и квадраты. Такой метод моделирования получил название «полигонального». Компания Triple-I также принимала участие в работе над фильмом «Трон».

 

 Силиконовая долина 

 Термином "Силиконовая  долина" мы обязаны известному  американскому журналисту Дону  Хофлеру (Don Hoefler), который в 1971 году опубликовал серию статей в американской еженедельной газете «Electronic News» под заголовком «Силиконовая долина США». В статьях он писал о местечке Санта Клара, что южнее Сан-Франциско, которое знаменито сосредоточением штаб-квартир крупнейших IT-компаний. Силиконовая долина оказала серьезное влияние на развитие высоких технологий, включая компьютерные, поэтому приведем несколько интересных фактов о «стране чудес».

 Вплоть до середины  тридцатых годов XX столетия территория долины была занята предприятиями, обслуживающими ВМС США. Позднее значительная часть территории использовалась NASA для исследований в области аэронавтики. С таким положением вещей не хотел мириться Фредерик Терман (Frederick Terman), профессор Стэнфордского университета, который располагается в 30 милях от Сан-Франциско. Фредерик Терман совершенно справедливо считал, что выпускникам будет значительно удобнее по окончании вуза оседать на незанятой территории Стэнфорда. Ученый муж приступил к разработке программы, которая могла бы убедить талантливых учеников в нецелесообразности покидать пенаты в поисках работы в других городах и штатах. Фредерик Терман благодаря своим связям добивался финансирования бизнес-проектов ведущих студентов. Главной удачей Термана следует признать открытие в 1939 году компании Hewlett-Packard студентами Уильямом Хьюлитом и Дэвидом Паккардом. Таким образом, компания Hewlett-Packard стала первой гражданской IT-компанией на территории долины.

 С изобретением полупроводника  в 1947 году и переездом компании  Bell Labs в 1953 году, IT-компании начали расти, как грибы после дождя. Спустя двадцать лет Силиконовая долина превратилась в крупнейшую «житницу» IT-технологий не только в США, но и в мире. На сегодняшний день на территории «Silicon Valley» располагаются представительства следующих компаний: Adobe, Microsoft, Apple, Cisco, Xerox, SGI, Dreamworks Аnimation и многие другие. На карте этот IT-рай выглядит особенно впечатляюще.

 Через тернии к звездам ( 80-е – 90-е)

 Компьютеры 

 Первые компьютеры  были невероятно большими, а компьютерная  графика, производимая ими, неуклюжей  и тяжеловесной. К счастью, этап  эволюции компьютерных технологий  не растянулся на миллионы  лет, и этому в значительной  степени способствовало изобретение  микропроцессора. Маленькая деталь  позволила уменьшить компьютер  до вполне разумных размеров. Начали появляться первые микрокомпьютеры, в народе именуемые домашними  – прообразы современных персональных  компьютеров. Всеми любимая и уважаемая компания Intel в 1974 году удивляет публику, выпустив в 8 битный процессор Intel 8080. Компании-конкуренты не отстают. К примеру, Motorola выпускает в том же году процессор 6800. Настоящим хитом продаж становится домашний компьютер Apple II, представленный публике в 1977 году. В 1981 году известный журнал «Тime» помещает на обложку персональный компьютер IBM и присваивает ему титул «Лучший товар года».

 SGI

 Первые персональные  компьютеры отличались малой  мощностью, что немало препятствовало  работе с 3D графикой. Для качественной и быстрой работы необходимы были усиленные рабочие станции. В роли спасителя выступил профессор Стэнфордского университета (опять Стэнфорд!!!) Джим Кларк (Jim Clark), который, оставив кафедру компьютерной графики, открывает вместе с Эбби Сильверстоуном (Abbey Silverstone) компанию Silicon Graphics в ноябре 1981 года. Между прочим Джим Кларк также является одним из основателей компании Netscape (1992). Первым детищем SGI стал IRIS 1000 – серия машин SGI, работающих с процессором Motorola 68000 и материнской платой Sun-1. Вскоре SGI начинает выпускать машины, работающие под операционной системой Unix. Венцом серии IRIS следует признать модель IRIS 3130, которая работала на процессоре Motorola 68020, усиленном математическим сопроцессором компании Weitek. Преимуществом SGI в сравнении с моделями компьютеров других производителей являлся программно-аппаратный комплекс Geometry Pipelines, который увеличивал скорость работы с 3D.

 С распространением 3D технологий и их внедрением в развлекательную индустрию наибольшего успеха добиваются графические станции SGI серии IRIS 4D, которые оснащаются мощными системами визуализации Onyx, способными уместить до 64 процессоров. Графические станции оснащаются 64 битными микропроцессорами MIPS. Этими машинами оснащаются крупнейшие голливудские 3D студии: ILM и Digital Domain. Графические станции SGI обладали большой производительностью и невероятно высокой стоимостью. Одним словом, рабочие станции SGI были ориентированы на небольшую целевую аудиторию, состоящую из одних профессионалов.

 

Где  используется 3D

В наше время 3d технологии применяются практически во всех видах визуальной рекламы и не только:

- Архитектурная визуализация

- Реклама на телевидении

- Презентационные видеоролики

- Полиграфия

- Интернет

- Интерактивные презентации

- Компьютерные игры

- Мультипликация и анимация

- Кинематограф

 Наступила эра, когда  смоделировать в 3d какой-либо товар  или объект, стало более выгодно, чем снять его на плёнку. Не  даром всё чаще товары в  рекламе не снимают на фото  или видео, а моделируют и рендерят. Например, красиво льющееся по  стенкам бокала пиво, мобильные  телефоны или автомобили, которые  вы видите в журналах и по  ТВ, всё это теперь создаётся  с помощью 3D. Качество компьютерной  графики достигло на данный  момент такого уровня, когда отличить  изображение от живого видео  или фотографии стало невозможно, а преимущества исполнения рекламы  в 3D огромны:

- Более качественная демонстрация  продукта 

-Идеальный внешний вид  смоделированного продукта (отсутствие  природных неровностей, микро-царапин, идеальное освещение, блики, отражения)

- Возможность "снять" продукт  так, как это нельзя сделать  вживую (макро-съёмка, всевозможные  пролёты камеры, динамическое изменение  материалов и форм как самого  объекта съёмки, так и окружения)

- Возможность "сфотографировать" или "снять на видео" объект, которого ещё не существует  в природе (например, визуализация  интерьеров квартир в жилом  комплексе, или самого жилого  комплекса, который ещё находится  на стадии строительства или  в виде проекта)

- Неограниченные возможности  визуальной реализации любых, даже  самых фантастических идей 

 Конечно же, все вышеописанные  возможности и преимущества действительны  лишь в том случае если работу  по изготовлению 3D ведут профессиональные CG-художники, владеющие всеми тонкостями  этого сложного технического  искусства, на оборудовании, позволяющем  быстро просчитывать миллионы  полигонов, шейдеров и фотонов.

 

 

Характеристика 3D Studio Max

3D Studio Max - лидер рынка программного  обеспечения для трехмерного  моделирования, анимации и визуализации.

 Новая версия 3D Studio MAX предлагает еще больше усовершенствованных  возможностей, которые удовлетворяют  возрастающим нуждам создателей  трехмерных моделей и аниматоров, а также разработчикам интерактивных  игр. Открытая архитектура 3D Studio MAX позволяет  аниматорам воспользоваться преимуществами  использования более чем ста  подключаемых приложений, чтобы  быстро и легко добавлять впечатляющие  эффекты. Более того, с помощью 3D Studio MAX SDK они могут даже создавать  свои собственные приложения-модули, чтобы придавать оригинальный  вид своим творениям.

3D Studio Max - программа трёхмерной  графики - может использоваться:

 

- в архитектурном проектировании;

- в подготовке рекламных  и научно-популярных роликов для  телевидения;

- в компьютерной мультипликации  и художественной анимации (спецэффекты, фантастические чудовища и т.д.), например, спецэффекты к фильму "Мумия" сделаны в этой программе;

 

- в компьютерных играх;

- в компьютерной графике  и Web-дизайне.

Основные возможности программы «3D Studio Max» :

Моделирование:

- детализация геометрии  с помощью Edit Poly Bridge;

- большая управляемость геометрией с новой опцией Slide and Pinch в Edit Poly Connect;

- выбор граней геометрии  растяжением/сжатием выбранного (selection) вдоль Ring/Loops;

- упрощение подчистки (cleaning up) моделей удалением граней и  вершин за один проход;

- новый Sweep модификатор.

UV развертка и мэппинг:

- Pelt Mapping определяет пользовательские "швы" (seams) и позволяет в соответствии  с ними разворачивать UV;