กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ
| กราฟิกคอมพิวเตอร์สามมิติ (3D) |
|---|
| หลักการพื้นฐาน |
| การใช้งานหลัก |
| หัวข้อที่เกี่ยวข้อง |


กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติบางครั้งเรียกว่าภาพที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ 3 มิติ ( 3D-CGI ) หมายถึงกราฟิกคอมพิวเตอร์ที่ใช้การแสดงข้อมูลทางเรขาคณิตแบบสามมิติ (3D) (มักเป็น แบบคาร์ทีเซียน ) ที่จัดเก็บไว้ในคอมพิวเตอร์เพื่อวัตถุประสงค์ในการคำนวณและแสดงผลภาพดิจิทัลโดยปกติจะเป็นภาพ 2 มิติแต่บางครั้งก็เป็นภาพ 3 มิติภาพที่ได้อาจถูกจัดเก็บไว้เพื่อดูในภายหลัง (อาจเป็นภาพเคลื่อนไหว ) หรือแสดงผลแบบเรียลไทม์[ 1 ]
กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ ตรงกันข้ามกับชื่อที่บ่งบอก มักจะแสดงผลบนจอแสดงผลสองมิติ ต่างจากภาพยนตร์ 3 มิติและเทคนิคอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ผลลัพธ์ที่ได้จึงเป็นภาพสองมิติ ไม่มีมิติความลึกบ่อยครั้งที่กราฟิก 3 มิติถูกแสดงผลบนจอแสดงผล 3 มิติเช่น ในระบบเสมือนจริง (VR )
กราฟิก 3 มิติแตกต่างจากกราฟิกคอมพิวเตอร์ 2 มิติซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะใช้วิธีการและรูปแบบที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในการสร้างและแสดงผล
กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติอาศัยอัลกอริทึม หลายอย่างเช่นเดียวกับ กราฟิกเวกเตอร์คอมพิวเตอร์ 2 มิติในแบบจำลองโครงร่างเส้นลวดและกราฟิกแรสเตอร์ คอมพิวเตอร์ 2 มิติ ในการแสดงผลขั้นสุดท้าย ในซอฟต์แวร์กราฟิกคอมพิวเตอร์ แอปพลิเคชัน 2 มิติอาจใช้เทคนิค 3 มิติเพื่อให้ได้เอฟเฟกต์ต่างๆ เช่นแสงและในทำนองเดียวกัน แอปพลิเคชัน 3 มิติอาจใช้เทคนิคการเรนเดอร์ 2 มิติบางอย่าง[ 1 ]
วัตถุในกราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ มักถูกเรียกว่าโมเดล 3 มิติต่างจากภาพที่เรนเดอร์แล้ว ข้อมูลของโมเดลจะถูกบรรจุอยู่ในไฟล์ข้อมูลกราฟิก โมเดล 3 มิติคือการแสดงทางคณิตศาสตร์ ของ วัตถุ สามมิติใดๆโมเดลจะไม่ถือว่าเป็นกราฟิกจนกว่าจะแสดงผล โมเดลสามารถแสดงผลได้ในรูปแบบภาพสองมิติผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการเรนเดอร์ 3 มิติหรือสามารถใช้ใน การจำลอง และการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ ที่ไม่ใช่กราฟิกได้ ด้วย การพิมพ์ 3 มิติโมเดลจะถูกเรนเดอร์ให้เป็นตัวแทนทางกายภาพ 3 มิติที่แท้จริง โดยมีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับความแม่นยำที่โมเดลทางกายภาพสามารถตรงกับโมเดลเสมือนได้[ 2 ]
ประวัติศาสตร์
วิลเลียม เฟตเตอร์ได้รับเครดิตว่าเป็นผู้บัญญัติศัพท์คำว่ากราฟิกคอมพิวเตอร์ในปี 1961 [ 3 ] [ 4 ]เพื่ออธิบายผลงานของเขาที่โบอิ้งตัวอย่างแรกๆ ของกราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติแบบโต้ตอบได้ถูกสำรวจในปี 1963 โดย โปรแกรม Sketchpadที่ห้องปฏิบัติการลินคอล์นของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ [ 5 ] หนึ่งในการแสดงภาพเคลื่อนไหวคอมพิวเตอร์ครั้งแรกคือFutureworld (1976) ซึ่งรวมถึงภาพเคลื่อนไหวของใบหน้าและมือของมนุษย์ ซึ่งเดิมทีปรากฏในภาพยนตร์สั้นทดลองเรื่องA Computer Animated Hand ในปี 1972 ที่สร้างโดยนักศึกษาจากมหาวิทยาลัยยูทาห์เอ็ดวิน แคทมุลล์และเฟรด พาร์ค[ 6 ]
ซอฟต์แวร์กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติเริ่มปรากฏให้เห็นสำหรับคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ตัวอย่างที่รู้จักกันเร็วที่สุดคือ3D Art Graphics ซึ่งเป็นชุดเอฟ เฟกต์กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ เขียนโดย Kazumasa Mitazawa และวางจำหน่ายในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2521 สำหรับApple II [ 7 ] [ 8 ]
ความเป็นจริงเสมือน 3 มิติ (VR 3D)เป็นเวอร์ชันหนึ่งของกราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ[ 9 ]แม้ว่าชุดหูฟัง VR ชุดแรกจะปรากฏขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 แต่ VR ก็ไม่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายจนกระทั่งทศวรรษ 2000 ในปี 2012 Oculusได้ถูกวางจำหน่าย และตั้งแต่นั้นมา โลกของชุดหูฟัง VR 3 มิติก็ได้ขยายตัว[ 10 ]
ภาพรวม
ขั้นตอนการผลิตกราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ แบ่งออกเป็นสามขั้นตอนพื้นฐาน:
- การสร้างแบบจำลอง 3 มิติ – กระบวนการสร้างแบบจำลองรูปทรงของวัตถุด้วยคอมพิวเตอร์
- การจัดวางและการสร้างแอนิเมชั่น CGI – การจัดวางและการเคลื่อนไหวของวัตถุ (โมเดล แสงไฟ ฯลฯ) ภายในฉาก
- การเรนเดอร์ 3 มิติ – การคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งอิงตามการจัดวางแสง ประเภท พื้นผิวและคุณสมบัติอื่นๆ เพื่อสร้าง (แปลงฉากเป็น) รูปภาพ[ 11 ]
การสร้างแบบจำลอง
การสร้างแบบจำลองอธิบายถึงกระบวนการสร้างรูปร่างของวัตถุ แหล่งที่มาของแบบจำลอง 3 มิติที่พบได้บ่อยที่สุดสองแหล่ง ได้แก่ แบบจำลองที่ศิลปินหรือวิศวกรสร้างขึ้นบนคอมพิวเตอร์โดยใช้เครื่องมือสร้างแบบจำลอง 3 มิติหรือแบบจำลองที่สแกน จากวัตถุในโลกแห่งความเป็นจริง เข้าสู่คอมพิวเตอร์ (การสร้างแบบจำลองรูปหลายเหลี่ยม การสร้างแบบจำลองแพทช์ และการสร้างแบบจำลอง NURBS เป็นเครื่องมือที่นิยมใช้ในการสร้างแบบจำลอง 3 มิติ) แบบจำลองยังสามารถสร้างขึ้นตามขั้นตอนหรือผ่านการจำลองทางกายภาพได้ อีกด้วย [ 11 ]
โดยพื้นฐานแล้ว โมเดล 3 มิติถูกสร้างขึ้นจากจุดที่เรียกว่าจุดยอด ซึ่งกำหนดรูปร่างและสร้างรูปหลายเหลี่ยม รูปหลายเหลี่ยมคือพื้นที่ที่เกิดจากจุดยอดอย่างน้อยสามจุด (รูปสามเหลี่ยม) รูปหลายเหลี่ยมที่มี n จุดเรียกว่ารูปหลายเหลี่ยม n จุด[ 12 ]ความสมบูรณ์โดยรวมของโมเดลและความเหมาะสมในการใช้งานในแอนิเมชันขึ้นอยู่กับโครงสร้างของรูปหลายเหลี่ยม[ 11 ]
การจัดวางและแอนิเมชั่น
ก่อนที่จะแปลงเป็นภาพ วัตถุต่างๆ ต้องถูกจัดวางในฉาก 3 มิติเสียก่อน ขั้นตอนนี้จะกำหนดความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างวัตถุ รวมถึงตำแหน่งและขนาดแอนิเมชันหมายถึงการอธิบายการเคลื่อนไหวของวัตถุตามเวลา (เช่น การเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุเมื่อเวลาผ่านไป) วิธีการที่นิยมใช้ ได้แก่การกำหนดคีย์เฟรมจลนศาสตร์ผกผันและการจับการเคลื่อนไหวเทคนิคเหล่านี้มักใช้ร่วมกัน เช่นเดียวกับแอนิเมชันการจำลองทางกายภาพก็ระบุการเคลื่อนไหวเช่นกัน
Stop Motion มีหลาย ประเภทย่อย เช่นClaymation , Cutout , Silhouette , Lego , PuppetsและPixelation [ 9 ]
Claymationคือการใช้โมเดลที่ทำจากดินเหนียวเพื่อสร้างแอนิเมชั่น ตัวอย่างเช่นClay FighterและClay Jam [ 9 ]
แอนิเมชั่น เลโก้เป็นหนึ่งในประเภทสต็อปโมชั่นที่พบได้บ่อย สต็อปโมชั่นเลโก้คือการใช้ตัวฟิกเกอร์เองในการเคลื่อนไหวไปมา ตัวอย่างเช่นเลโก้ไอส์แลนด์และเลโก้แฮร์รี่พอตเตอร์[ 9 ]
การเรนเดอร์
การเรนเดอร์เป็นการแปลงโมเดลให้เป็นภาพ โดยอาจจำลองการเคลื่อนที่ของแสงเพื่อให้ได้ภาพที่สมจริง หรือโดยการใช้สไตล์ศิลปะในการเรนเดอร์แบบไม่สมจริง การดำเนินการพื้นฐานสองอย่างในการเรนเดอร์แบบสมจริงคือ การเคลื่อนที่ (ปริมาณแสงที่ผ่านจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง) และการกระเจิง (พื้นผิวต่างๆ มีปฏิสัมพันธ์กับแสงอย่างไร ) ขั้นตอนนี้มักทำโดยใช้ซอฟต์แวร์กราฟิก 3 มิติ หรือAPI กราฟิก 3 มิติ
การปรับเปลี่ยนฉากให้เหมาะสมสำหรับการเรนเดอร์ยังเกี่ยวข้องกับการฉายภาพสามมิติซึ่งแสดงภาพสามมิติในสองมิติ แม้ว่าซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลองสามมิติและซอฟต์แวร์ CAD อาจทำการเรนเดอร์สามมิติได้เช่นกัน (เช่นAutodesk 3ds MaxหรือBlender ) แต่ก็ยังมีซอฟต์แวร์เรนเดอร์สามมิติโดยเฉพาะอยู่ (เช่นOctane Rendering Engine ของ OTOY , Redshift ของ Maxon)
- ตัวอย่างการเรนเดอร์ภาพสามมิติ
- ในขั้นตอนการเรนเดอร์ภาพ 3 มิติ จำนวนการสะท้อนของ "รังสีแสง" รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ สามารถปรับแต่งได้เพื่อให้ได้เอฟเฟ็กต์ภาพที่ต้องการ เรนเดอร์ด้วยCobalt
- ภาพเรนเดอร์สามมิติของเพนต์เฮาส์
วัสดุและพื้นผิว
วัสดุและพื้นผิวเป็นคุณสมบัติที่เอนจิ้นการเรนเดอร์ใช้ในการเรนเดอร์โมเดล เราสามารถกำหนดวัสดุให้กับโมเดลเพื่อบอกเอนจิ้นการเรนเดอร์ว่าจะจัดการกับแสงอย่างไรเมื่อแสงตกกระทบพื้นผิว พื้นผิวใช้เพื่อกำหนดสีให้กับวัสดุโดยใช้แผนที่สีหรือแผนที่อัลเบโด หรือกำหนดคุณลักษณะของพื้นผิวโดยใช้แผนที่ความนูนหรือแผนที่ความปกตินอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อเปลี่ยนรูปทรงของโมเดลเองโดยใช้แผนที่การกระจัดได้ อีก ด้วย
ซอฟต์แวร์
ซอฟต์แวร์กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติ สร้างภาพที่สร้างขึ้นด้วยคอมพิวเตอร์ (CGI) ผ่านการสร้างแบบจำลอง 3 มิติและการเรนเดอร์ 3 มิติหรือสร้างแบบจำลอง 3 มิติเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ วิทยาศาสตร์ ความบันเทิง และอุตสาหกรรม
รูปแบบไฟล์
มีไฟล์หลายประเภทที่รองรับกราฟิก 3 มิติ เช่น ไฟล์ Blender (.blend), Wavefront (.obj), .fbx และไฟล์ DirectX (.x) โดยแต่ละประเภทไฟล์มักจะมีโครงสร้างข้อมูลเฉพาะตัว
แต่ละรูปแบบไฟล์สามารถเข้าถึงได้ผ่านแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้อง เช่น ไฟล์ DirectX และQuakeหรืออาจเข้าถึงไฟล์ผ่านโปรแกรมแบบสแตนด์อโลนจากผู้พัฒนาภายนอก หรือผ่านการถอดรหัสด้วยตนเองก็ได้
การสร้างแบบจำลอง
3-D modeling software is a class of 3-D computer graphics software used to produce 3-D models. Individual programs of this class are called modeling applications or modelers.
3-D modeling starts by describing 3 display models: drawing points, drawing lines and drawing triangles and other polygonal patches.[13]
3-D modelers allow users to create and alter models via their 3-D mesh. Users can add, subtract, stretch and otherwise change the mesh to their desire. Models can be viewed from a variety of angles, usually simultaneously. Models can be rotated and the view can be zoomed in and out.
3-D modelers can export their models to files, which can then be imported into other applications as long as the metadata are compatible. Many modelers allow importers and exporters to be plugged-in, so they can read and write data in the native formats of other applications.
Most 3-D modelers contain a number of related features, such as ray tracers and other rendering alternatives and texture mapping facilities. Some also contain features that support or allow animation of models. Some may be able to generate full-motion video of a series of rendered scenes (i.e. animation).
Computer-aided design (CAD)
Computer-aided design software may employ the same fundamental 3-D modeling techniques that 3-D modeling software uses but their goal differs. They are used in computer-aided engineering, computer-aided manufacturing, Finite element analysis, product lifecycle management, 3D printing and computer-aided architectural design.
Complementary tools
After producing a video, studios then edit or composite the video using programs such as Adobe Premiere Pro or Final Cut Pro at the mid-level, or Autodesk Combustion, Digital Fusion, Shake at the high-end. Match moving software is commonly used to match live video with computer-generated video, keeping the two in sync as the camera moves.
Use of real-time computer graphics engines to create a cinematic production is called machinima.[14]
Other types of 3D appearance
กราฟิก 2 มิติสมจริงระดับภาพถ่าย
ไม่ใช่ว่ากราฟิกคอมพิวเตอร์ทั้งหมดที่ปรากฏเป็น 3 มิติจะอิงตามแบบจำลองโครงร่างเส้นลวด เสมอไป กราฟิกคอมพิวเตอร์ 2 มิติที่มี เอฟเฟกต์ ภาพเสมือน จริง 3 มิติ มักจะทำได้โดยไม่ต้องใช้แบบจำลองโครงร่างเส้นลวด และบางครั้งก็แยกไม่ออกในรูปแบบสุดท้ายซอฟต์แวร์ศิลปะกราฟิก บางตัว มีฟิลเตอร์ที่สามารถนำไปใช้กับกราฟิกเวกเตอร์ 2 มิติ หรือกราฟิกแรสเตอร์ 2 มิติ บนเลเยอร์โปร่งใสศิลปินอาจคัดลอกหรือแสดงภาพเอฟเฟกต์ 3 มิติ และเรนเดอร์เอฟเฟกต์ภาพเสมือนจริงด้วยตนเองโดยไม่ต้องใช้ฟิลเตอร์[ 15 ]
2.5D
เกมวิดีโอบาง เกม ใช้กราฟิก 2.5 มิติ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฉายภาพสภาพแวดล้อมสามมิติแบบจำกัด เช่นกราฟิกแบบไอโซเมตริกหรือกล้องเสมือนที่มีมุมคงที่ไม่ว่าจะเป็นวิธีปรับปรุงประสิทธิภาพของเอนจิ้นเกมหรือเพื่อความสวยงามและรูปแบบการเล่นเกม ในทางตรงกันข้าม เกมที่ใช้กราฟิกคอมพิวเตอร์ 3 มิติโดยไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว เรียกว่าใช้กราฟิก 3 มิติที่แท้จริง
แอนิเมชั่นรูปแบบอื่นๆ
การตัดกระดาษคือการใช้วัสดุแบนๆ เช่น กระดาษ ทุกอย่างถูกตัดออกจากกระดาษ รวมถึงสภาพแวดล้อม ตัวละคร และแม้แต่ของประกอบฉากบางอย่าง ตัวอย่างเช่น เกม Paper Mario [ 9 ]ภาพเงาคล้ายกับการตัดกระดาษ แต่เป็นสีเดียวคือสีดำ เกม Limboเป็นตัวอย่างของภาพเงา[ 9 ]หุ่นเชิดคือตุ๊กตาและหุ่นเชิดต่างๆ ที่ใช้ในเกม ตัวอย่างเช่น เกมYoshi's Wooly World [ 9 ] การทำให้เป็นพิกเซลคือเมื่อทั้งเกมปรากฏเป็นพิกเซล ซึ่งรวมถึงตัวละครและสภาพแวดล้อมรอบๆ ตัวพวกเขา ตัวอย่างเช่น เกมShovel Knight [ 9 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- ประวัติศาสตร์เชิงวิพากษ์ของกราฟิกคอมพิวเตอร์และแอนิเมชั่น ( สำเนา จาก Wayback Machine )
- วิธีการทำงานของสิ่งต่างๆ - กราฟิก 3 มิติ
- ชุดบทความเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของคอมพิวเตอร์กราฟิก (สำเนาจาก Wayback Machine)
- วิธีการทำงานของ 3 มิติ - อธิบายการสร้างแบบจำลอง 3 มิติสำหรับต้นฉบับหนังสือโบราณที่มีภาพประกอบ