wizualizacje i animacje 3D

czym są i skąd się wzięły

Wizualizacje 3D

Moc obliczeniowa

Szybki rozwój technologii komputerowej jest niepodważalnym faktem. Czasami aż trudno uwierzyć, w to, co staje się możliwe, tylko z tego powodu, że ludzkość potrafi produkować coraz sprawniejsze kalkulatory. Tak, komputer to nic innego jak kalkulator. Dostarcza on moc obliczeniową, którą można wykorzystać na różne sposoby. Informatyka zajmuje się między innymi wymyślaniem sposobów na spożytkowanie tej mocy.

Wszystkie zadania, do których wykorzystujemy komputer, można sprowadzić do serii prostych działań matematycznych. W większości wypadków te działania to mnożenie i dodawanie. Czyli coś, co można zrealizować na kalkulatorze. Jest to oczywiście uproszczenie, jednak dobrze oddaje ono stan rzeczy.

Symulacja zderzenia dwóch galaktyk – nic prostszego, wystarczy wykonać kilka miliardów operacji mnożenia i dodawania w ciągu sekundy. Analiza kodu DNA człowieka, błahostka z odpowiednią mocą obliczeniową. Przetworzenie danych dostarczanych przez Wielki Zderzacz Hadronów, maksymalnie tydzień pracy, pod warunkiem, że mamy pod ręką kilka superkomputerów.

Właśnie takie zastosowania są bodźcem do budowania coraz szybszych komputerów, potrafiących dostarczyć coraz większą moc obliczeniową. Wraz z ich rozwojem, koszt mocy obliczeniowej maleje. Tym samym staje się ona dostępna do innych zastosowań, np. biznesowych i rozrywkowych. Analiza rynku giełdowego, gry komputerowe, coraz bardziej inteligentne pojazdy… Wszystko to, również wymaga dużej ilości mocy obliczeniowej.

Tak samo jest z wizualizacjami 3D. Mogą one istnieć tylko dlatego, że obecne komputery (powszechnie dostępne, nie te z laboratoriów), są w stanie dostatecznie szybko wykonać obliczenia konieczne przy tym zastosowaniu.

Zanim jednak napiszę, co dokładnie wymaga dużej mocy obliczeniowej przy wizualizacjach, należy wspomnieć, jakie etapy składają się na ich produkcję.

Modelowanie

Jest to pierwszy etap przy tworzeniu wizualizacji. Polega on na stworzeniu modelu 3D obiektu, który będzie zaprezentowany. Model 3D składa się z punktów, krawędzi, oraz powierzchni. Jak łatwo się domyślić krawędzie łączą ze sobą punkty, a powierzchnie powstają z połączenia krawędzi.

Program do wizualizacji daje nam możliwość dowolnego manipulowania punktami, krawędziami i powierzchniami. Modelowanie polega na takim ich ustawieniu, aby uzyskać kształt, który będzie jak najbliższy naszemu obiektowi.

Powstały w ten sposób model, jest trójwymiarowy. Zatem można go oglądać z każdej strony. Właśnie dlatego, wizualizacja ma w nazwie 3D.

Mając skończony model, możemy przejść do kolejnego etapu.

Teksturowanie

Sama bryła w kształcie naszego produktu, na niewiele się zda, jeżeli nie będzie wyglądać w realistyczny sposób. Drewno, plastik, metal, szkło…wszystkie te materiały da się zasymulować.

Właśnie na tym etapie, tworzymy wszystkie potrzebne materiały i przypisujemy je do odpowiednich części we wcześniej wymodelowanym obiekcie. Program do wizualizacji daje nam bardzo duże możliwości, jeżeli chodzi o materiały. Możemy definiować takie aspekty jak ilość odbitego światła w zależności od kąta patrzenia, stopień rozmycia odbić, przezroczystość, sposób w jaki światło się załamuje przechodząc przez materiał i wiele innych.

Dobierając odpowiednio parametry, uzyskujemy realistycznie wyglądające materiały.

Oświetlenie

W kolejnym etapie musimy ustawić źródła światła. Bez nich nasz obiekt będzie spowity w ciemnościach. Jest to podobny proces, jak przy fotografii. Z tą różnicą, że światła są wirtualne i można je ustawić w dowolnym miejscu i regulować wszystkie ich parametry. Można nawet symulować światło słoneczne. Od ilości świateł i ich ustawienia, zależy wygląd naszego produktu.

Renderowanie

Jest to ostatni etap, który uwzględnia wszystko, co zostało zrobione wcześniej. Na tym etapie, powstaje finalny obraz, który możemy wstawić na stronę internetową lub wydrukować.

Właśnie w tym momencie dochodzimy do zapotrzebowania na moc obliczeniową. Jest ona niezbędna do wykonania symulacji promieni świetlnych, która wychodzą z wcześniej ustawionych świateł. Im więcej promieni weźmiemy pod uwagę tym lepsza będzie, jakość wizualizacji. Oprócz ilości istotna jest tez ilość odbić takiego promienia oraz jego interakcja z różnymi materiałami.

W rzeczywistości ilość promieni świetlnych jest niekończona, podobnie jak ilość ich odbić. Na szczęście fizyka już dawno opisała w matematyczny sposób zachowanie się światła. Dzięki temu, możemy symulować światło na komputerze, jednak z pewnymi ograniczeniami. Głównie w postaci ograniczonej ilości promieni, oraz ograniczonej ilości ich odbić. Z dostępną obecnie mocą obliczeniową symulacje te są na tyle realistyczne, że dają efekty zbliżone do fotografii.

Podczas renderowania wykonywane są wszystkie niezbędne obliczenia, pozwalające opisać zachowanie się każdego promienia świetlnego. Niezależnie od tego czy natrafi na przeszkodę, czy też nie, wszystko da się obliczyć. W obliczeniach również uwzględnia się typ materiału, z jakiego zrobiona jest przeszkoda. Światło inaczej zachowa się trafiając na szklaną powierzchnie, niż w sytuacji, kiedy odbije się od metalu.

Po wykonaniu wszystkich obliczeń otrzymujemy wizualizację. Samo renderowanie jednej wizualizacji może trwać kilkanaście godzin lub dłużej. Wszystko zależy od przyjętych ustawień, oraz od mocy obliczeniowej, jaką jest w stanie wygenerować nasz komputer. Aby przyspieszyć ten proces, wykorzystuje się większą ilość komputerów, które pracują jednocześnie nad wyrenderowaniem jednej wizualizacji.

Postprodukcja

Ten etap nie jest wymagany, jednak czasami warto przez niego przejść. W postprodukcji, za pomocą programu graficznego, poprawiamy kolorystykę, kontrast i inne parametry obrazu. Podobnie jak przy zdjęciach.

Animacje 3D

Każda animacja składa się z serii klatek. Każda klatka to nic innego jak zdjęcie. Jednak zamiast zdjęć, można użyć wizualizacji. Dzięki temu możemy pokazać nasz obiekt w ruchu. To właśnie w ten sposób powstają współczesne animowany filmy (np. Shrek, Epoka lodowcowa…).

Proces powstawania takiej animacji, jest bardzo podobny do tego powyżej. Etapy są te same, tylko trzeba jeszcze uwzględnić ruch kamery i obiektów na scenie. Niestety, takie animacje również trzeba renderować.

Bardzo często, jedna sekunda animacji to 24 klatki, a może być ich więcej. Każda klatka to osobna wizualizacja, której czas renderowania liczymy w godzinach, albo dziesiątkach godzin. Zatem czas potrzebny na wyrenderowanie jednej sekundy animacji, może być liczony w setkach godzin.

Oczywiście nie każda wizualizacja musi się długo renderować, co również tyczy się animacji.

Sama animacja nie musi oznaczać wykorzystywania wizualizacji. Jest cała masa innych technik do ich tworzenia. Np. większość intr, które możesz znaleźć w mojej ofercie, została wykonana w zupełnie inny sposób.

Podsumowanie

Teraz już wiesz, jak wygląda przygotowywanie wizualizacji i animacji. Jest to bardzo pracochłonne i czasochłonne, jednak uzyskane efekty są tego warte. Dzięki tej technologii można prezentować produkty, tworzyć produkcje kinowe, efekty specjalne w filmach, a nawet gry komputerwe. Modelowanie i teksturowanie, to również podstawowe etapy w tworzeniu grafiki do gier komputerowych.

Zachęcam do zapoznania się z moją ofertą, w skład której, wchodzi wykonywanie wizualizacji i animacji.