Den Syntesen av tre-dimensjonale bilder ofte forkortet som 3D (3D i tre dimensjoner: x , y , z , de tre akser som utgjør orthonormal rammen av referanse for geometrien på plass ) er et sett av teknikker, i særdeleshet resulterende fra CAD hvilken tillater representasjon av objekter i perspektiv på en dataskjerm . Det er for tiden mye brukt i digital kunst i filmindustrien, initiert av Pixar , Disney , DreamWorks , Blue Sky , Illumination og ILM studioer, og siden 1992 i mange videospill . Forvirring bør ikke lages med 3D- termer relatert til lettelse eller stereoskopi .
Pålydende tredimensjonale bilder er det nye navnet på det som ble kalt perspektivtegning eller maleri siden renessansen .
Her er et eksempel på en perspektivvisning laget av Piero della Francesca i 1475 . Noen malere bruker perspektografen , den første 3D-tegningsmaskinen , til sine billedkomposisjoner.
Forskjellen er at før datamaskins fremkomst ble perspektiv oppnådd ved hjelp av grafiske metoder direkte fra prosjektiv geometri . Foreløpig beregnes design digitalt på grunnlag av tredimensjonale digitale data. Dette gjør det mulig å enkelt endre projeksjonssenteret og dets forskjellige parametere. Spesielt er det mulig å beregne serie med projeksjoner ved å flytte projeksjonspunktet og dermed produsere animasjoner .
De nåværende datasyntesebildene er basert på de samme prinsippene for projeksjon på et plan og er uatskillelige fra databehandlingens historie. Datorgenererte bilder startet tidlig på 1950 - tallet i USA og var reservert for forskning, spesielt universitetsforskning. En idé av Ivan Sutherland fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) ble konstruert av et katodestrålerør og et lyspennesystem for lufttrafikkontroll av luftforsvaret, og i 1961 ble det lagt til et kryss på skjermen for å indikere posisjonen til den optiske blyanten. Vi praktiserte deretter 2D-bildet, deretter 3D-bildet, dyrere når det gjelder beregningstid og økonomisk.
Da brukte universitetene også tredimensjonale bilder, og i 1967 spesialiserte University of Utah seg på dette området, spesielt professorene David C. Evans og Ivan Sutherland, som prøvde å modellere forskjellige gjenstander som bilen. 'Ivan Sutherland, og som i 1968 grunnla selskapet Evans & Sutherland. Så i 1970 opprettet Xerox PARC ( Palo Alto Research Center ), som vil fungere veldig fritt, fordi uten kommersielle mål; det vil resultere i mange funn som Xerox ikke vil kunne utnytte. I 1975 ble et av de mest berømte bildene av datagrafikk opprettet, tekannen, som siden har blitt et klassisk testobjekt for 3D-applikasjoner. Tekannen som fungerte som modell, hviler nå i Boston Computer Museum, nær en datamaskin som gjengir sitt tredimensjonale bilde.
Fram til 1980-tallet nærmet seg få mennesker dette feltet på grunn av materialkostnadene. Men utseendet til personlige datamaskiner, som Xerox Star , IBM-PC i 1981 og Apple Macintosh i 1984 , demokratiserte bruken av 3D for studier og produksjon ... teknologi resulterer i suveren simuleringer av skyttelbuss eller rakett fra NASA , eller landskap og ansikter.
Men det var fra 1990-tallet at datorgenererte bilder og 3D ble allment tilgjengelige og utviklet, spesielt med ankomsten av kraftigere utstyr som tillot sanntid , for eksempel 3D-kort på Silicon Graphics på avanserte arbeidsstasjoner og senere i forbrukerne Amiga og PC-datamaskiner med 3D-kort som 3DFX eller i spillkonsoller som PlayStation , Dreamcast . Siden den gang har 3D-akselerasjon vært en integrert del av maskinvaren.
Syntesen av tredimensjonale bilder bruker et vektorrom . Dette rom er delt inn i tre dimensjoner av de kartesiske akser, vanligvis kalt X , Y og Z .
Ta et referansepunkt i et rom og definer retning til høyre (X) , bak-bak (Y) og opp-ned (Z) . For å gå fra opprinnelsen til et gitt punkt, må du gjøre:
Hvis vi kan tillate rekkefølgen vi kan gjøre forskyvningen i, er denne kombinasjonen ( x , y , z ) unik: et punkt av delen er representert av en enkelt triplett, og en triplett representerer et enkelt punkt av delen (se Registrering i flyet og i verdensrommet , kartesisk koordinatsystem og analytisk geometri ). Denne tripletten av verdier kalles koordinatene til punktet.
Referansepunktet kalles “opprinnelsen” og skrives vanligvis O , det tilsvarer tripletten (0, 0, 0).
Å flytte en verdi a til venstre tilsvarer å flytte en verdi - a til høyre. Å gå tilbake en b- verdi er den samme som fremover - b . Å gå ned med en verdi c tilsvarer å gå opp med - c . (Se artikkelen Relativt heltall ).
La oss nå ta et enkelt volum , et polyhedron . Denne polyhedronen kan defineres av koordinatene til toppunktene. Ved data fra en serie verdier [( x 1 , y 1 , z 1 ); ( x 2 , y 2 , z 2 ); …; ( x n , y n , z n )], vi definerer dette volumet.
Ta for eksempel de åtte poengene:
Disse åtte punkter definerer punktene av en terning hvis kant har en lengde 8, og hvis sentrum er O .
Vi har således representert en kube med et sett med verdier. Dette rommet kalles også en tredimensjonal eller "virtuell" matrise i verden av 3D-bildebehandling.
3D-bildesyntese er i hovedsak delt inn i to trinn:
I hvert av disse trinnene finnes det et stort antall teknikker. Selv om modellering og gjengivelse teknikker teoretisk er uavhengige, sier det seg selv at gjengivelse må kunne utnytte de modellerte dataene, og veldig ofte er en modelleringsteknikk nært knyttet til en gjengivelsesteknikk.
Modelleringen vil bestå i at datamaskinen lagrer et sett med geometriske data og grafiske egenskaper som gjør at modellen kan bli representert . Denne modellen kalles vanligvis en 3D-scene , etter den engelske scenen som betyr "visning", vil vi derfor si "3D-visning". Se den dedikerte artikkelen for mer informasjon:
Typer modelleringModelleringsprosessen kan enten være automatisk som for en 3D-skanner , der et program vil lage en datamaskinrepresentasjon fra et reelt objekt fra verden, eller manuelt ved hjelp av 3D-redigeringsprogramvare. I sistnevnte tilfelle er en grafisk designer ansvarlig for å lage modellen. Denne programvaren kalles modellere etter den engelske modelleren .
Blant den mest kjente og utbredte programvaren er 3D Studio Max , Maya , XSI , LightWave , Cinema4D, 3D Turbo, Modo og programvaren med åpen kildekode, Blender .
Gjengivelsen er i sin tur delt inn i flere faser:
Det hender at noen av disse fasene utføres samtidig (for eksempel i 3D-kart)
3d, gjengivelse, motorObjekter som er definert av tall kan deretter tegnes på en skjerm; tredobler av verdier ( x , y , z ) blir transformert til punkter på tegningen. Denne gjengivelsen bruker vanligvis begrepet Linear Perspective : jo lenger objektet er, jo mindre tegnes det; denne prosessen blir noen ganger referert til som “ekte 3D” eller “naturlig syn”.
Plasseringen av poengene oppnås enkelt. Et matriksprodukt utfører en koordinatendring, til et koordinatsystem hvis opprinnelse er synspunktet, dybden z ' akse er hovedretningen, vinkelrett på gjengivelsesflaten, og de to andre aksene, x' og y ' er parallelle med bredden og høyden på den gjengitte overflaten. Et punktprodukt etter kvotienten av avstanden mellom synspunktet og den gjengitte overflaten og dimensjonen på z ' dybdeakse , returnerer deretter alle punktene i visualiseringsplanet.
Det aksonometriske perspektivet , den isometriske projeksjonen og de ortogonale projeksjonene (spesielt isometrisk perspektiv , se: Beskrivende geometri ) er et lineært perspektiv for uendelig synsavstand. Størrelsen på objektet varierer ikke med avstanden; avstanden er representert ved en forskyvning i figurens plan. Det oppnås også ved matriseberegning.
Gjengivelse bør generelt avgjøre hvilke deler som er synlige og hvilke deler som er skjult. Teknikkene for 3D-bildesyntese skilte først algoritmene for beregning av skjulte ansikter som fungerte i 3D-rommet på scenen og de med fotorealistisk gjengivelse som fungerte i 2D-rommet på bildet (piksler). Nåværende gjengivelsesalgoritmer utfører begge funksjonene samtidig.
Andre gjengivelsesalgoritmer tar hensyn til det faktum at detaljer og kontraster forsvinner med avstand ( atmosfærisk perspektiv ).
TegningMed disse typer perspektiv forbinder vi en type tegning:
Utfyllende teknikker for kartlegging av teksturer brukes til å gi mer realistiske effekter uten å gjøre 3D-modellene mer komplekse. For eksempel :
Med disse teknikkene vises filtreringsproblemer, noe som er nødvendig for å eliminere gjenstander.
Til slutt har vi et 2D-bilde. Dette bildet kunne godt ha blitt tegnet direkte i 2D, men det ble beregnet, generert fra 3D-modellen.
Verden av 3D innen datagrafikk er faktisk matematisk ekte. Men mekanismen her er omvendt, som en tegner som gjengir et verk skulpturert fra alle vinkler på papp. Det todimensjonale bildet som er resultatet av gjengivelsen av en tredimensjonal scene er ingen ringere enn biproduktet fra denne "wireframe" virtuelle verdenen. Mulighetene med denne teknologien er uendelige, akkurat som en tegnekunstner kunne gjengi virkeligheten fra et uendelig antall forskjellige vinkler og parametere.
I motsetning til et klassisk tredimensjonalt bilde, gir et volumetrisk (eller volum) tredimensjonalt bilde en verdi til alle punkter i rommet (matriseberegninger). Disse er alle koblet (eller ikke) til hverandre for å danne polygoner som ofte kalles fasetter. Disse fasettene, sammenkoblet hverandre, utgjør til slutt det aktuelle 3D-objektet. I tillegg kan andre punkter også bli funnet inne i selve objektet, de som ytterligere spesifikke funksjoner kan tilskrives, noe som gir objektet et inntrykk av masse i tillegg til volum (f.eks.: Solid object / Hollow object).
Lettelsesvisjonen kommer av det faktum at et objekt ikke blir sett på samme sted av de to øynene, mens de to øynene blir forskjøvet (forskjell i parallaks ). Datamaskinen kan generere to forskjellige bilder, en sett med venstre øye, den andre med høyre øye, og dermed gi et inntrykk av lettelse.
En enkel måte å lage denne “kunstige lettelsen” består i å generere et enkelt bilde, kalt anaglyf , men som inneholder informasjonen for begge øyne, i to farger, generelt grønt og rødt. Tilskueren har briller med et grønt filter på den ene siden (dette øyet ser bare rød informasjon, som vises i svart, se Subtraktiv syntese ), og et rødt filter på den andre siden (dette øyet ser bare informasjon grønn, som også vises i svart ).
Du kan også jobbe med ett enkelt innledende bilde, med en fordømmende fordeling av farger. Brillene beskrevet ovenfor overdriver den visuelle effekten på disse spesielle bildene, og fører motivet til bildet i forgrunnen i grønt og bakgrunnen for naturen i rødt. Dette gir en illusjon av stereoskopisk dybde, samt lettelse.
Ingenting forhindrer med nåværende prosessorer å beregne på få minutter, selv på få sekunder, enkle hologrammer imponert på filmer med god oppløsning. Prosessen har faktisk eksistert siden tidlig på 1970 - tallet ( IBM Systems Journal ga et eksempel på et slikt beregnet hologram i et av utgavene det tiåret). Prosessen ble ikke fulgt den gang av kostnadsmessige årsaker, men kunne dukke opp igjen i dag.
Selv om teknologien er lik i de to tilfellene ( kino og videospill ), er det bemerkelsesverdige forskjeller. Den sanntidsbegrensningen som ligger i videospill, eksisterer åpenbart ikke på kino. Dette er grunnen til at de mer detaljerte syntetiske bildene som brukes i kino blir forhåndsberegnet en etter en, noe som gir en mye bedre visuell gjengivelse. Det er derfor viktig å utgjøre forskjellen mellom sanntids 3D og forhåndsberegnet 3D. Kino og videospill er ikke de eneste sammenhengene for bruk av 3D-bildesyntese. Andre sammenhenger, spesielt den digitale aspektmodellen, bruker hybridløsninger, kompromisser mellom sanntids 3D og forhåndsberegnet 3D, som i visse tilfeller gjør det mulig å oppnå en visuell gjengivelse nær syntesen av forhåndsberegnet 3D-bilde, mens du drar nytte av fordeler med sanntids 3D.
Sanntids 3D brukes faktisk i videospill, men har også mange andre applikasjoner: arkitektonisk visualisering, medisinsk visualisering, forskjellige simuleringer, skjermsparere ... Den tekniske utfordringen i denne typen 3D er å oppnå best mulig bildekvalitet mens du opprettholder et flytende animasjon, som krever optimalisering av skjermberegningene så mye som mulig. I begynnelsen gikk alle beregningene til datamaskinens sentrale prosessor (CPU), men den stadig større kraften som ble krevd for å forbedre kvaliteten på bildene, presset produsentene til å markedsføre PCI ( Peripheral Component Interconnect ) -kort som spesialiserer seg på 3D. Den første tilgjengelige på PC ( Personal Computer ) var Voodoo fra 3DFX . I dag har grafikkort de aller fleste 3D-akselerasjonsfunksjoner.
Bruken av prosessorer dedikert til 3D-databehandling skapte behovet for å definere standard APIer ( applikasjonsprogrammeringsgrensesnitt ), slik at utviklere enkelt får tilgang til akselererte funksjoner og produsenter for å inkludere dem i prosessorer. De to mest utbredte 3D API-ene er OpenGL og Direct3D ( DirectX- komponent ), en nyere konkurrent utviklet av Microsoft, men reservert for Windows-systemer, mens OpenGL er plattform. Den Vulkan API er den kommer av OpenGL , sluttført i 2016, og som følge av en arbeidsgruppe bringe sammen de viktigste spillerne i form av 3D-maskinvare ( AMD , Intel , Nvidia ), den Khronos gruppe . Det er på vei til å bli målestokken, ettersom den er designet for å fungere med grafikkprosessorer på lavt nivå ( GPUer ), og optimalisere tilgangen til ressursene (minne, instruksjonssett ). Vulkan bør tillate en klar forbedring av ytelsen og mulighetene som tilbys utviklerne, uten å måtte bytte maskinvare, og modifikasjonen blir gjort på programvarenivå (ved å oppdatere grafikkdriverne til systemet). Samsung Galaxy S7- smarttelefonen var den første mobile enheten som ga tilgang til Vulkan API , og demonstrasjonen som ble gjort med Unreal Engine 4 3D- motoren presset grensene for sanntids 3D på mobilen. Siden Nvidia Shield Android- nettbrett har også blitt oppdatert med Vulkan- støtte .
Forhåndsberegnet 3D brukes til å lage bilder, spesialeffekter og animasjonsfilmer. Hovedfordelen er at det gjør det mulig å oppnå veldig høy bildekvalitet og høy realisme. Bildet er kvalifisert som "fotorealistisk" når detaljnivået er veldig viktig. Det kan da forveksles med et fotografi. I 2001 er Final Fantasy: Creatures of the Spirit , den første spillefilmen med fotorealismens ambisjon.
Den forhåndsberegnede 3D tillater ikke interaktivitet. Tilskueren kan ikke handle på 3D-scenen. Den brukes spesielt i kino eller TV.
Det er bekymring for beregningstider, men i en helt annen skala enn sanntids 3D. Faktisk, i sistnevnte krever en flytende animasjon at det er mulig å beregne mer enn tjue bilder per sekund, mens i forhåndsberegnet 3D kan beregningen av et bilde ta timer, til og med dager. Når alle bildene er beregnet, projiseres de med ønsket frekvens (24 bilder per sekund for 35 mm film for eksempel). De genereres ofte på det som kalles en beregningsgård . Det er et stort nettverk av datamaskiner som er koblet til hverandre for å multiplisere datakraften. Ettersom hvert sekund av animasjon krever nesten 30 bilder, betyr dette at i 15 minutter med animasjon må nettverket generere mer enn 27 000 bilder.
Den programvaren beregner disse bildene, "gjengi" ( spillere engelsk) er mange. Gjennom årene har forbrukerprogramvaren forbedret seg betydelig for å foredle kornet og også for å formidle de virkelige effektene på miljøet som designteamene forestiller seg. På den annen side er det alltid nødvendig med spesialiserte firmaer med kunstnere med spesialkunnskap innen modellering, belysning og animasjon. Den andre mest kjente programvaren er RenderMan , Mental Ray , finalRender , Brazil r / s , V-Ray .
En populær teknikk for 3D-beregning er "ray tracing" ( raytracing ). I denne teknikken "forlater" en lysstråle fra hvert punkt på skjermen, og "møter" gjenstandene spredt i 3D-scenen og "reflekterer" på dem.
Forhåndsberegnet 3D er en fantastisk suksess hos allmennheten, spesielt takket være distribusjonen på teatre. Pixar animasjonsstudio har vært dedikert til å lage CGI-filmer siden 1980-tallet . Han er anerkjent som en pioner innen feltet. Spesielt utvikler han RenderMan , en gjengivelsesmotor som anses å være en av de mest effektive i dag, og som brukes til å gjengi alle studioets produksjoner, så vel som de aller fleste datorgenererte bilder av spillefilmer (se filmer i datamaskin- genererte bilder og bildesyntese ).
Arkitektur, interiørdesign og reklame bruker i økende grad disse metodene for å lette salg av fremtidige prosjekter.
Hybrid 3D tar sikte på å forbedre fotorealismen til sanntid 3D ved å forhåndsberegne (og derfor fryse) visse parametere som er dyre å beregne, men hvis kvalitet er viktig for bildets realisme.
Belysning er en av de dyre parametrene. I sanntid 3D ofres det: ingen eller få kaster skygger, ingen global belysning. God belysning forbedrer imidlertid realismen i bildet, og det er ofte det som gjør den store forskjellen mellom sanntids 3D og forhåndsberegnet 3D. Å fryse denne innstillingen kan være et problem, den kan ikke lenger endres i sanntid, belysningen kan ikke lenger være helt dynamisk. Men det er mange sammenhenger med bruk av sanntids 3D der det ikke er viktig å ha helt dynamisk belysning, og hvor vi derfor har råd til å fryse denne belysningen.
Er da beregnet lystekstur ( lightmaps ) som koder for belysning. Denne beregningen er relativt lang (forhåndsberegnet, den gjøres ikke i sanntid), men når den er gjort, er lysinformasjonen umiddelbart tilgjengelig. Kvaliteten på gjengivelsen kan da nærme seg det vi får i forhåndsberegnet 3D mens den gir interaktivitet i innstillingene til alle de andre parametrene.
I dag brukes datagrafikk i eiendomsbransjen. Målet deres er å markedsføre eiendomsobjekter ved å sette inn bilder i brosjyrer eller nettsteder. De brukes også til å lage salgsfremmende 3D-filmer, guidede turer og også delta i opprettelsen av 360 ° virtuelle turer (ved hjelp av virtual reality-headset).
Samtidig, med økningen av elektroniske markedsplasser ( handelssteder ), blir syntetiske bilder i økende grad brukt av leverandører for å skille seg ut. De iscenesetter dermed produktene sine i fotorealistiske bilder. Denne metoden har fordelen av å produsere mange bilder for en mye mer fordelaktig pris enn en fotografering.