Gràfics 3D per ordinador

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Exemple de gràfic 3D
Tetera dibuixada mitjançant gràfic 3D.

Els gràfics 3D per computadora o per ordinador (en anglès 3D computer graphics) són treballs d'art gràfic que van ser creats amb ajuda d'ordinadors i programes especials 3D. En general, el terme pot referir-se també al procés de crear dits gràfics, o el camp d'estudi de tècniques i tecnologia relacionades amb els gràfics 3D.

Un gràfic 3D difereix d'un 2D principalment per la forma en què ha estat generat. Aquest tipus de gràfics s'origina mitjançant un procés de càlculs matemàtics sobre entitats geomètriques tridimensionals produïdes en un ordinador, i el propòsit del qual és aconseguir una projecció visual en dues dimensions per a ser mostrada en una pantalla o impresa en paper.

En general, l'art dels gràfics 3D és similar a l'escultura o la fotografia, mentre que l'art dels gràfics 2D és anàleg a la pintura. En els programes de gràfics per computadora aquesta distinció és de vegades difusa: algunes aplicacions 2D utilitzen tècniques 3D per a aconseguir certs efectes com il·luminació, mentre que algunes aplicacions 3D primàries fan ús de tècniques 2D.

Creació de gràfics 3D[modifica | modifica el codi]

Fases per a la creació d'elements/gràfics 3D:

Modelar[modifica | modifica el codi]

L'etapa de modelar consisteix a anar donant forma a objectes individuals que després seran usats en l'escena. Existeixen diversos tipus de geometria per a modelador amb NURBS i modelatge poligonal o subdivisió de superfícies (subdivision surfaces en anglès). A més, encara que menys usat, existeix un altre tipus cridat "modelatge basat en imatges" o en anglès "image based modeling" (IBM). Consisteix a convertir una fotografia a 3D mitjançant l'ús de diverses tècniques, de les quals, la més coneguda és la fotogrametria que el seu principal impulsor és Paul Debevec.

Hi ha dos tipus de tècniques de modelar que són les mes representatives dins del modelatge

  • Models representats per polígons: Un dels sistemes utilitzat per l'ordinador per representar qualsevol estructura són les polígons. Un cub té 6 cares, cadascuna d'elles és un polígon, una piràmide és compon de 4 triangles i una base quadrada. Però inclòs una forma arrodonida també es representa mitjançant polígons, l'exemple més clar de la vida real és veure un pilota de futbol, que és compon de 12 pentàgons i 20 hexàgons.
  • Models definits per les seves curves matemàiques: NURBS y Patch: Avui dia hi ha altres sistemes de modelatge on l'usuari no treballa amb polígons, sinó amb superfícies corbes definides matemàticament. Imaginem una circumferència: podria representar-se com un polígon de molts costats però també podria representar-se com una funció matemàtica entre dues variables X i Y (el conjunt dels punts d'un pla que equidisten d'un altre). Evidentment l'usuari no ha de veure amb enutjoses fórmules, sinó que de la mateixa manera que en un programa vectorial (com Illustrator o Freehand) resulta senzill traçar corbes perfectes (no només cercles o el·lipses) en un modelador no poligonal es disposen de diferents tipus d'eines (splines, NURBS, patches bezier, etc) per crear superfícies corbes complexes.

Shading/texturitzat[modifica | modifica el codi]

Definició de la forma que li afecta la llum, per a això s'usen materials shaders que són algoritmes que controlen la incidència de la llum, produint materials de tipus: Anisòtrop, Lambert, Blin... Combinant-les amb textures.

Il·luminació[modifica | modifica el codi]

Creació de llums de diversos tipus puntuals, direccionals en àrea o volum, amb distint color o propietats. això és la clau d'una animació.

Hi ha tres tipus d'il·luminació que són les mes bàsiques i que trobarem pràcticament a tots el programes de edició 3d que són aquests tipus:

  • Llum infinita: Únicament té informació de direcció pel que els rajos que emet són paral·lels, seria semblant a la llum que emet el nostre sol. Però és més útil per fer a justos i correccions.
  • Llum puntual: posseeix informació tant de direcció com de posició pel que és útil quan vam començar a separar àrees il·luminades en l'escena.
  • Llum spot: és la més útil, ja que podem intervenir exactament en les àrees que desitgem estiguin il·luminades mitjançant un con de llum i així mateix podem controlar l'àrea de penombra.

Animació[modifica | modifica el codi]

Els objectes es poden animar quant a

  • Transformacions bàsiques en els tres eixos (XYZ), rotació, escala o translació.
  • Forma(shape):
    • Mitjançant esquelets: als objectes se'ls pot assignar un esquelet, una estructura central amb la capacitat d'afectar la forma i moviments d'aquest objecte. Això ajuda al procés d'animació, en el qual el moviment de l'esquelet automàticament afectés les porcions corresponents del model. Vegeu també animació per cinemàtica directa (Forward Kinematic animation) i animació per cinemàtica inversa (Inverse Kinematic animation).
    • Mitjançant deformadores: ja siguin lattices (caixes de deformació) o qualsevol deformador que produeixi per exemple deformació sinusoïdals.
    • Dinàmiques: per a simulacions de roba, pèl, dinàmiques rígides d'objecte.

L'animació en 3D és un procés complex, ja que porta amb si la realització prèvia d'altres processos com el disseny i modelatge de la imatge a animar. Es tracta de la deformació o moviment dels objectes d'un model 3d al llarg del temps. Perquè hi hagi animació, aquesta deformació o moviment a fer ha de variar en alguna cosa respecte al temps: moviment d'objectes i càmeres, canvi de llums i formes, etc.

La primera animació 3D al món

Fue creada en 1972 por el fundador de Pixar Ed Catmull junto con Fred Parke y Robert Ingerbretsen.

  • La primera animació 3D: Hem de retrocedir uns 40 anys al passat, més concretament a 1972, a la universitat d'Utah, on un jove Edwin Catmull amb ajuda del seu company Fred Parke, van crear la primera animació digital en 3D de la història. O si més no la primera de la qual es tingui constància. La pel·lícula va ser rodada en format Super 8, sense so i en blanc i negre.
  • La primera pel·lícula 3D: 23 anys més tard s'estrenaria Toy Story, la primera cinta creada íntegrament amb efectes d'animació en tres dimensions, generant més de 550 milions de dòlars en guanys produïda per Pixar, sent Catmull un dels seus fundadors. Després de l'adquisició de l'empresa per part de Disney, va assumir la presidència de Walt Disney Studios.
  • Actualitat l'animació 3D: Actualment el món de l'animació 3D ha evolucionat molt és un món molt gran, ja que quasi qualsevol persona té els mitjans suficients per a poder crear una animació bàsica a casa seva i això et dóna un món de possibilitats.

Renderització[modifica | modifica el codi]

Es diu renderitzat (o render) al procés final de generar la imatge 2D o animació a partir de l'escena creada. Això pot ser comparat a prendre una foto o en el cas de l'animació, a filmar una escena de la vida real. Generalment es busquen imatges de qualitat fotorrealista, i per a aquesta fi s'han desenvolupat molts mètodes especials. Les tècniques van des de les més senzilles, com el render de la malla (wireframe rendering), passant pel render basat en polígons, fins a les tècniques més modernes com el Scanline Rendering, el Raytracing, la radiositat o el Mapeig de fotons

El programari de render pot simular efectes cinematogràfics com els lens flare (aberració d'un feix de llum en la filmació), la profunditat de camp, o el motion blur (desenfoque de moviment). Aquests artefactes són, en realitat, un producte de les imperfeccions mecàniques de la fotografia física, però com l'ull humà està acostumat a la seva presència, la simulació de dits efectes aporten un element de realisme a l'escena. S'han desenvolupat tècniques amb el propòsit de simular altres efectes d'origen natural, com la interacció de la llum amb l'atmosfera o el fum. Exemples d'aquestes tècniques inclouen els sistemes de partícules que poden simular pluja, fum o foc, el mostreig volumètric per a simular boira, pols i altres efectes atmosfèrics, i els càustics per a simular l'efecte de la llum al travessar superfícies refractants.

El procés de render necessita una gran capacitat de càlcul, perquè requereix simular gran quantitat de processos físics complexos. La capacitat de càlcul s'ha incrementat ràpidament a través dels anys, permetent un grau superior de realisme en els renders. Estudis de cinema que produeixen animacions generades per ordinador fan ús, en general, del que es coneix com render farm (granja de render) per a accelerar la producció de fotogrames.

Aplicacions informàtiques[modifica | modifica el codi]

Aplicacions 3D[modifica | modifica el codi]

Resum Aplicacions 3D

Nom Companyia Enllaç Versió

Autodesk Maya

Autodesk

http://www.autodesk.com/maya

Maya 2013

Autodesk Softimage

Autodesk

http://www.softimage.com

Softimage 2013

Autodesk 3ds Max

Autodesk

http://www.autodesk.com/3dsmax

Max 2013

LightWave 3D

Newtek

http://www.newtek.com/

LightWave 11

Blender

Blender (OpenSource)

http://www.blender.org/

2.64a

Cinema 4D

Maxon

http://www.maxon.net

R14.025

Houdini

Side Effects

http://www.sidefx.com/

12

Rhinoceros

Rhino

http://www.rhino3d.com/

4

Pov-ray

Povray

http://www.povray.org/

4

Renders basat en Renderman[modifica | modifica el codi]

Nom Companyia Enllaç Versió Sistema Operatiu Comentaris
Renderman Pro Server Pixar http://renderman.pixar.com 13 Windows, Mac OSX, Linux L'original, inclou gestors de renders i és

àmpliament usat en els estudis de postproducció nord-americans.

Render Man Studio 1 Pixar http://renderman.pixar.com 1 Windows, Mac OSX, Linux És una integració limitada (quant a facilitat d'ús

no a potència) dintre de maya, inclou Alfred (gestor de renders) i Slim (editor de materials)

Renderman for Maya 2.0 Pixar http://renderman.pixar.com 2 Windows, Mac OSX Ofereix part dels avanços tècnics de Renderman Pro, però

a més aquesta especialment bé integrat en Maya. Cap destacar el seu rapidíssim desplaçament

Pixie Universitat de Texas (OpenSource) http://www.cs.utexas.edu/okan/Pixie/pixie.htm 2.1.1 Windows, Linux i Macos X Especialment usat en universitats per a renders amb

caràcter científic. No aquesta de cap forma integrat en Maya.

3dlight Dna Research http://www.3delight.com 6.0 Windows, Linux i Macos X Té uns plugins que s'integra al Maya, la seva característica

principal és l'excel·lent maneig de molta geometria.

Gelato Nvidia http://film.nvidia.com/page/gelato.html 2.0 Windows i Linux Originalment es denominava BMRT (blue Moon rendering tool)

posteriorment es va denominar Exluna de l'empresa Entropy, va ser comprat per Nvidia i optimitzat per a treballar en conjunció de les GPUs de  les targetes gràfiques de la pròpia companyia.

AIR sitexgraphics http://www.sitexgraphics.com/ 5.0 Windows i Linux Aquesta especialment integrat en Houdini i Rhino

Renders no basats en Renderman[modifica | modifica el codi]

finalRender Encebes GmbH http://www.encebes.com/ Stage 1-R2 Windows Plugins de 3D Studio Max, especialment usat per a

arquitectura, exteriors i interiors. Gran qualitat però a costa d'uns temps elevats de render. Actualment disposen d'una versió per a integrar al Maya, bastant avançada.

Vray ChaosGroup http://www.chaosgroup.com/ 1.5 Windows Plugins de 3D Studio Max, especialment usat per a

arquitectura, exteriors i interiors. Gran qualitat però a costa d'uns temps elevats de render. Actualment disposen d'una versió per a Maya però no gaire estable. Extraordinaris shader, qualitat excel·lent (en Max)

Povray http://www.povray.org/ Windows i Linux És una opció per a renderitzar al Blender.

Malgrat haver-hi molts paquets de modelar i animació 3D, els quatre més populars:

  • Maya (Autodesk). És el programari de modelar més popular en la indústria. Després de l'adquisició de l'empresa fabricadora, ALIAS, per part d'AUTODESK, la versió vuitena de Maya va ser publicada. És utilitzat per multitud d'importants estudis d'efectes visuals en combinació amb RenderMan, el motor de render fotorrealista de Pixar. Última versió a octubre de 2006: Maya 8.
  • 3D Studio Max (Discreet). Va ser originalment escrit per Kinetix (una divisió de Autodesk) com el successor de 3D Studio per a MS-DOS. Més tard Kinetix es va fusionar amb l'última adquisició d'Autodesk, Discreet Logic. La versió més recent a l'octubre de 2006 era la 9.0. És el líder en el desenvolupament 3D de la indústria del videojoc i és molt utilitzat a nivell amateur.
  • Softimage XSI (Avid). El contrincant més gran de Maya. En 1987, Softimage Inc, una companyia situada en Montreal, va escriure 3D, que es va convertir ràpidament en el programa de 3D més popular d'aquest període. En 1994, Microsoft va comprar Softimage Inc. i van començar a reescriure 3D per a Windows NT. El resultat es va anomenar XSI. En 1998 Microsoft va vendre Softimage a Avid. La versió a mitjan 2003 era la 3.5.
  • Lightwave 3D (Newtek). Va ser desenvolupat per la companyia de Kansas NewTek Inc. en 1989. El programari consta de dues parts, Modeler desenvolupat per Stuart Ferguson en 1986 i Layout desenvolupat per Allen Hastings en 1989 per als ordinadors Commodore Amiga com a part de l'editor lineal/no-lineal VideoToaster. Més tard va evolucionar en un avançat paquet de #modelar animació, VFX i render per a diverses plataformes: Amiga, PC Windows, Apple Macintosh, Silicon Graphics, Dec Alpha, Sun Microsystems i Mips. Actualment disponible per a Windows, Mac OS i Mac OS X. La versió actual és la 9.3. És utilitzat en multitud d'estudis per a efectes visuals i animació de cinema i televisió com a Digital Domain, Rhythm & Hues,Eden FX, Dreamworks, Flash Film Works, Pixel Magic, The Embassy, JPL-Nasa, Zoic Studios, Cafe FX, etc.

Altres paquets menys populars:

  • Caligari trueSpace. Aplicació en la qual totes les fases de creació de gràfics 3D són realitzades dintre d'un únic programa. Proveeix característiques com simulació de fenòmens físics (vent, gravetat, col·lisions entre cossos).
  • Cinema4d. Motor de render ràpid, càlcul de radiositat.
  • formZ. Ofereix manipulació topológica de les geometries.
  • Blender.[1] És un programa lliure de modelar, animació, il·luminació i renderitzat, amb simulació de partícules i física de fluids, cossos rígids i suaus en temps real (necessaris per al seu motor de jocs), amb possibilitat d'edició i composició d'imatges i vídeo. Pot importar/exportar distints formats d'imatge 2D (bmp, jpg...) i models i escenes 3D(3ds, obj...), i a més ofereix la possibilitat de programar scripts en Python.
  • Rhinoceros 3D. Un potent modelador baix NURBS.
  • RealSoft3D. Modelador 3D per a Linux i Windows. Inclou render.
  • Universe per Electric Image. Paquet de #modelar i animació amb un dels motors de render més ràpids que existeixen.
  • POV-Ray. Un avançat programari gratuït de Raytracing. Usa el seu propi llenguatge de descripció d'escena, amb característiques com macros, bucles i declaracions condicionals. És completament gratuït encara que no va ser llançat baix GPL. No inclou modelador.
  • Moray. Modelador per a POV-Ray.
  • Kerkythea.[2] Programa gratuït que fa renderitzats realistes a partir de les propietats físiques de la llum.

APIs de gràfics 3D[modifica | modifica el codi]

Els gràfics 3D s'han convertit en alguna cosa molt popular, particularment en jocs de computadora, al punt que s'han creat APIs especialitzades per a facilitar els processos en totes les etapes de la generació de gràfics per computadora. Aquestes APIs han demostrat ser vitals per als desenvolupadors de maquinari per a gràfics per ordinador, ja que proveeixen un camí al programador per a accedir al maquinari de manera abstracta, aprofitant els avantatges de tal o com placa de video.

Les següents APIs per a gràfics per computadora són particularment populars:

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Gràfics 3D per ordinador Modifica l'enllaç a Wikidata