Анимация и графика
Рекламная 3D графика
Особенности трехмерной компьютерной графики и анимации
Системы электронной графики состоят из компьютеров, которые, получая "инструкции", выполняют их и показывают на дисплее "выход". Системы компьютерной графики работают на основе растровой технологии телеизображения. Электронный луч обегает экран, "строка" за "строкой", с верхней до нижней части экрана. В США стандартом является NTSC, т.е 525 строк по горизонтали, с частотой повторения сканирования 30 раз в секунду. В системе PAL стандартом является 600 горизонтальных строк, с частотой повторения 24 раза в секунду. Каждая горизонтальная строка разбита на пиксели (PICture ELements). В различных системах электронной графики, количество пикселов на строку колеблется от 289 до 786. "Зажигая" или "гася" пиксель за пикселем, мы, таким образом, создается на экране "картинку".
Что же это такое - компьютерная 3D-графика и в чем ее отличия от обычной, двумерной графики? В самых общих словах можно сказать, что двумерная компьютерная графика - это совокупность средств и приемов для рисования изображений с помощью компьютера, в то время как ЗD-графика предназначена для имитации фотографирования или видеосъемки трехмерных образов объектов, которые должны быть предварительно подготовлены в памяти компьютера. Поясним сказанное на примере. Предположим, вам потребовалось нарисовать автомобиль. Используя средства двумерной компьютерной графики, Вы изображаете видимые контуры автомобиля и окружающих его предметов. Если после этого возникает потребность нарисовать тот же автомобиль с другого ракурса (например - вид сзади), то всю работу приходится повторять заново от начала и до конца: снова рисовать видимые контуры элементов, придумывая детали, наблюдаемые при данном направлении взгляда. Полученные эскизы рисунков требуется затем раскрасить в нужные цвета, учитывая воображаемое направление лучей света для правильного воспроизведения теней и бликов.
При использовании средств трехмерной графики синтез изображения той же сцены выполняется по иному алгоритму, включающему в общем случае следующие этапы:
- предварительная подготовка;
- создание геометрической модели сцены;
- настройка освещения и съемочных камер;
- подготовка и назначение материалов;
- визуализация сцены.
Из перечисленных этапов только последний посвящен собственно формированию изображения, а все остальные являются подготовительными. Оно и понятно: ведь чтобы выполнить «фотографирование» сцены, ее нужно сначала создать. Это похоже на подготовку макета или строительство декораций, с тем отличием, что и макет и декорации создаются не в натуре, а только в памяти компьютера.
Создание изображения средствами трехмерной графики
Предварительная подготовка.
На этом этапе продумывается состав сцены. Следует предусмотреть все объекты и их детали, которые будут видны с предполагаемых направлений наблюдения. При этом полезно бывает нарисовать один или несколько эскизов будущей сцены.
Создание геометрической модели сцены.
На этом этапе с использованием различных инструментов программы 3D-моделирования, выполняется кропотливая работа - строятся трехмерные геометрические модели объектов сцены. О том, что собой представляют и из чего состоят такие объекты, Вы сможете прочитать в следующем номере журнала. Пока достаточно понимать, что трехмерными они называются потому, что имеют, как в реальном мире, три измерения - длину, ширину и высоту. Весь набор инструментов по созданию геометрических моделей объектов называют иногда геометрическим конструктором сцен. На мой взгляд, 3D Studio МАХ обладает одним из самых развитых и удобных геометрических конструкторов из всех программ 3D-графики. Это позволяет максимально облегчить работу над геометрической моделью сцены и дает возможность воплотить в виде трехмерных моделей практически любые объекты реального или воображаемого мира. После того как трехмерная геометрическая модель сцены создана, ее можно без труда рассматривать и «фотографировать» с любого требуемого ракурса.
Виды компьютерной графики
Различают три вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. В растровой графике изображение представляется в виде набора окрашенных точек. Такой метод представления изображения называют растровым. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете пока применяются только растровые иллюстрации. Векторный метод - это метод представления изображения в виде совокупности отрезков и дуг и т. д. В данном случае вектор - это набор данных, характеризующих какой-либо объект. Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агенствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики много проще.
Сравнение растровой и векторной графики
Способ представления изображения
Растровое изображение строится из множества пикселей.
Векторное изображение описывается в виде последовательности команд.
Представление объектов реального мира
Растровые рисунки эффективно используются для представления реальных образов.
Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества.
Качество редактирования изображения
При масштабировании и вращении растровых картинок возникают искажения.
Векторные изображения могут быть легко преобразованы без потери качества.
Особенности печати изображения
Растровые рисунки могут быть легко напечатаны на принтерах. Векторные рисунки иногда не печатаются или выглядят на бумаге не так, как хотелось бы. Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальная графика, как и векторная - вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Способность фрактальной графики моделировать образы живой природы вычислительным путем часто используют для автоматической генерации необычных иллюстраций.
Цвет в компьютерной графике
Цвет - чрезвычайно сложная проблема как для физики, так и для физиологии, т.к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.
Самым простым является ахроматический цвет, т.е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное, как 0, а белое как 1. Тогда среднесерому цвету будет соответствовать значение 0.5. Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим. При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т.д. Насыщенность характеризует чистоту, т.е. степень ослабления (разбавления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности.
Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает зеленый цвет, второй - красный, а третий - синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными. Человеческий глаз способен различать около 350 000 различных цветов. Это число получено в результате многочисленных опытов. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов: мы можем различить от 16 (для желтого) до 23 (для красного и фиолетового) таких цветов. Результаты опытов обобщены в законах Грассмана:
Глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трехмерность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), чистоту (насыщенность) и яркость (светлоту) или красный, зеленый и синий цвета. Четыре цвета всегда линейно зависимы, т. е. сС = rR + gG + bВ, где с, r, g, b не равны 0. Следовательно, для смеси двух цветов имеет место равенство (cC)1 + (сС)2 = (rR)1 + (rR)2 + (gG)1 + (gG)2 + (bB)1 + (ЬВ)2. Если цвет C1 равен цвету С и цвет С2 равен цвету С, то цвет С1 равен цвету С2 не зависимо от структуры спектров энергии с, С1, С2. Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно, т. е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.
В компьютерной графике применяются две системы смешивания основных цветов: аддитивная - красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная - голубой, пурпурный, желтый (CMYK). Цвета одной системы являются дополнительными к цветам другой: голубой - к красному, пурпурный - к зеленому, а желтый - к синему. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цветов. Субтрактивная система цветов CMYK применяется для отражающих поверхностей, например, типографских красок, пленок и несветящихся экранов. Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например экранов ЭЛТ или цветовых ламп.
Применение компьютерной графики
Области применения компьютерной графики
Научная графика
Первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства - графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.
Деловая графика
Деловая графика - область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчетная документация, статистические сводки - вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.
Конструкторская графика
Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трехмерные изображения.
Иллюстративная графика
Иллюстративная графика - это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами.
Художественная и рекламная графика
Художественная и рекламная графика - ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и "движущихся картинок". Получение рисунков трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики.
Компьютерная анимация
Компьютерная анимация - это получение движущихся изображений на экране дисплее. Художник создает на экране рисунке начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа - это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.