7. Основы трехмерной графики

7.1. Общие сведения

Наряду с программами традиционной 2D-графики в последнее десятилетие широкое распространение и популярность получили программы ЗD-моделирования, анимации и визуализации. При этом такие известные программные решения, как 3D Studio МАХ от компании Discreet (подразделения Autodesk, Inc.) или Maya от компании Alias|Wavefront являются, по сути, гибридными графическими пакетами. С одной стороны, они предоставляют дизайнеру возможность манипулирования 2D- и 3D- векторными объектами, с другой, результатом работы (финальной визуализации) является растровое изображение - отдельный кадр или видеоролик.

В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:

• спроектировать и создать виртуальный каркас («скелет») объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;

• спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;

• присвоить материалы различным частям поверхности объекта («спроектировать текстуры на объект»);

• настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы,свойства взаимодействующих объектов и поверхностей.

Понятно, что традиционная 2D-плоскость рисунка (как, например, в графических редакторах CorelDRAW, Adobe Illustrstor или Macromedia Free Hand) для этой цели не подходит. В данном случае требуется такое описание рабочего пространства, в котором можно создавать не только геометрическую форму моделируемых трехмерных объектов, но и их взаимное расположение как в статике, так и в движении.

Все программы 3D-графики, прежде всего, позволяют использовать декартову (картезианскую) систему координат (Cartesian coordinate system).

Реже, но все же достаточно часто, используются полярная цилиндрическая система координат (polar cylindrical coordinate system) и полярная сферическая система координат (polar spherical coordinate system).

7.2. Рабочее пространство

В зависимости от задачи и этапа работы (например, исходное моделирование формы объекта или последующее размещение уже готовых объектов на «сцене») можно выбирать различные типы пространств и связанных с ними координатных систем.

Чаще всего программы трехмерного моделирования предоставляют следующие варианты пространств:

• Пространство объекта (object space), которое предназначено для моделирования (описания) формы объекта в его собственной (локальной) системе координат безотносительно того, где он будет размещен на сцене, как ориентирован или масштабирован.

• Мировое пространство (world space) используется для размещения объектов на сцене, осуществления аффинных трансформаций (перемещения, поворота и масштабирования объектов), описания освещения сцены, вычисления столкновений между объектами при моделировании динамики их движения и т.п.Это единое пространство для всех объектов.

• Видовое пространство (view space) ассоциировано с виртуальным наблюдателем (обычно камерой) или определенной проекцией сцены (например, фронтальным видом) и описывает ту часть сцены, которая доступна для просмотра и работы в видовом окне (viewport). Это своего рода точка зрения.

• Экранное пространство (screen space) - это D-пространство (плоскость), в котором отображаются аксонометрические (axonometric) или перспективные (perspective) проекции 3D-объектов на плоскость поверхности монитора.

• UVW-параметрическое пространство (UVW parametric space) используется при математическом моделировании сложных кривых и поверхностей (например, NURBS-объектов) или для задания UVW-координат текстурирования поверхностей (UVW mapping coordinates).