Технологии создания трехмерного изображения / Видеокарты

Как я предполагаю, вы читаете эту статью на экране монитора, имеющего два измерения: высоту и ширину. Но когда вы смотрите мультик типа "Игрушечной истории 2" (Toy Story II) или играете в Томб Рейдер (Tomb Raider), экран вам кажется трехмерным. И что больше всего зачаровывает, вы можете наблюдать на экране реальный сегодняшний мир, мир в котором мы будем жить завтра, или мир, существующий только в воображении создателей компьютерной игрушки. И все эти миры появляются на одном и том же экране, который вы, возможно, минуту назад использовали для печати отчета о текущей котировке акций.

Как же так получается, что компьютер обманывает ваше зрение и вы невольно считаете что за плоским экраном существует трехмерное пространство? Как получается, что программисты игр убеждают нас в том, что мы наблюдаем за реальными персонажами в их реальной среде обитания? В этой статье мы расскажем о хитрых приемах дизайнеров трехмерной графики. Также мы поведаем про аппаратные решения, реализующие эти приемы так быстро, что вы не отличите игру от художественного интерактивного фильма (если таковые, конечно, когда-нибудь появятся).

Что делает картинку трехмерной?

Картинка, кажущаяся трехмерной (3D) должна иметь три измерения: высоту, ширину и глубину. Двумерная картинка (2D) имеет два измерения: высоту и ширину. Некоторые картинки изначально двумерны. Представьте себе буквы "М" или "Ж", указывающие на туалет. Эти символы должны быть понятны с первого взгляда. Поэтому, чем проще они нарисованы, тем лучше. Конечно, можно заменить эти буквы фигурками людей. Фигурки можно дополнить информацией: какой тип одежды на них надет, какой у них цвет волос, посещают ли они регулярно занятия по шейпингу и т.д. Но вся эта дополнительная информация лишь усложнит получение главной информации: в какую же дверь вам идти? Этим примером можно проиллюстрировать отличие 2D графики от 3D: двумерная графика хороша для выражения чего-либо простого за максимально короткое для понимания время. Трехмерная графика может дать больше информации, но на ее усвоение требуется большее время.

Обратите внимание на треугольники слева. Каждый из них имеет три линии и три угла. Собственно, поэтому он и называется треугольником. Справа мы уже наблюдаем пирамиду - трехмерную структуру с четырьмя треугольными гранями. Пирамида нарисована с помощью пяти линий и шести углов, что почти в два раза больше чем для одного треугольника.

Сотни лет художники владели трюками, позволяющими двумерной картине выглядеть как окно в реальный, трехмерный мир. Вы можете создать ту же самую иллюзию и на экране монитора, просто сосканировав фотографию. Объекты кажутся меньше при удалении, близлежащие фигуры выглядят достаточно резкими, в то же время удаленные объекты размыты. Чем больше расстояние от камеры, тем менее насыщенными будут цвета. Однако когда мы говорим про сегодняшнюю 3D графику на компьютере, мы подразумеваем не статичные фотографии, а движущиеся объекты.

Если перевод двумерной картинки в трехмерный вид сводится к добавлению некоторого количества информации, то перевод 3D статичной картинки в движущееся изображение требует намного большего.

Часть проблемы заключается в том, что мы слишком избалованы. Мы требуем максимального реализма от всего, что видим. Если еще в середине 70-х игра типа "Арканоида" потрясала людей своей компьютерной графикой, то сейчас мы сравниваем качество очередной игрушки с DVD фильмом, требуя большой четкости и детализации. Мы требуем лучшей трехмерной графики от персонального компьютера, от Apple Macintosh, и в последнее время даже от игровых приставок типа Dreamcast или Playstation II.

Что такое трехмерная графика?

Для большинства из нас компьютеры или современные приставки являются наиболее привычным способом знакомства с трехмерной графикой. Компьютерные игры или видеоролики изготавливаются с помощью созданных компьютером картинок. Обычно процесс создания реалистичной трехмерной сцены разбивается на три важных шага.

Создание виртуального 3D мира.
Выбор части мира, которая будет демонстрироваться на экране.
Задание представления для каждого пикселя на экране для максимальной реалистичности изображения.

Создание виртуального 3D мира

Виртуальный 3D мир это не просто эскиз такого мира. Чтобы вам лучше в этом разобраться, приведем пример из реального мира. Рассмотрим вашу руку и стол под ней. Ваша рука обладает характеристиками, которые определяют способы движения руки и ее вид. Пальцы примыкают к ладони и послушно сгибаются в суставах. Если шлепнуть рукой по столу, то он не брызнет во все стороны, так как стол всегда твердый и цельный. Ваша рука не может пройти сквозь стол. Всю эту информацию нельзя получить, просто взглянув на рисунок предмета. Но сколько бы фотографий вы ни сделали, на любой из них ваши пальцы будут сгибаться в суставах, и примыкать к ладони, стол будет всегда твердым, а не жидким. Так ведут себя вещи в реальном мире, и они всегда будут себя так вести. Объекты же виртуального трехмерного мира не существуют в природе, в отличие от вашей руки. Все они - искусственные, а все их свойства задаются программой. Разработчики используют специальные инструменты для аккуратного описания 3D мира, чтобы каждый объект вел себя, так как ему положено.

Какую часть виртуального мира показать на экране?

В любой момент экран демонстрирует только крошечную частичку виртуального трехмерного мира компьютерной игры. Показываемая часть определяется способом задания мира, направлением, куда вы пожелаете в нем пойти и точкой, в которую вы будете при этом смотреть. Независимо от того, какой путь вы выберите: вперед или назад, вверх или вниз, вправо или влево, виртуальный 3D мир вокруг вас определит, что вы увидите из вашей позиции по направлению вашего взгляда. Смысл увиденного вами не должен меняться от сцены к сцене. Если вы смотрите на объект с одной и той же дистанции, то он должен сохранять те же размеры независимо от направления взгляда. Способ движения и вид каждого объекта должны убеждать вас в том, что он имеет постоянную массу, что он всегда твердый или мягкий, жесткий или гибкий и т.д.

Программисты, создающие компьютерные игры, затрачивают огромные усилия на описание 3D мира, чтобы вы могли восхищаться этим миром и не встречать в нем ничего, что бы разубедило вас в его реальности. Вы же не хотите увидеть, как два твердых объекта проходят друг сквозь друга? Это сразу бы напомнило вам об иллюзорности виртуального мира.

И третий шаг включает в себя, по крайней мере, столько же компьютерных вычислений, как и первые два шага вместе взятые, если не больше. Причем этот шаг должен выполняться в реальном времени в играх и видеороликах. Мы более подробно рассмотрим его далее.