Jeśli chcesz lepiej rozumieć grafikę 3D, zacznij od pojęć takich jak render, poligony, PBR i Ray Tracing. To podstawy, które wpływają na sposób tworzenia cyfrowego obrazu i jego końcowy wygląd. Poszczególne elementy odpowiadają za geometrię, materiały, światło czy sposób generowania obrazu, a razem pozwalają przygotować realistyczne wizualizacje 3D. W tym artykule wyjaśniamy najważniejsze terminy i pokazujemy, jak łączą się ze sobą podczas pracy nad sceną 3D.
Model 3D i siatka (mesh)
Model 3D to cyfrowy obiekt zbudowany z siatki (mesh), która tworzy geometrię i nadaje modelowi kształt w przestrzeni. Taka siatka składa się z poligonów, najczęściej trójkątów i czworokątów, a ich odpowiednie rozmieszczenie pozwala odwzorować kształt powierzchni.
Większa liczba poligonów pozwala dokładniej odwzorować złożone kształty i detale, ale zwiększa również obciążenie podczas pracy ze sceną i renderowania. Dlatego w modelowaniu 3D ważna jest optymalizacja poligonów. Pozwala zachować odpowiednią jakość modelu bez niepotrzebnego zwiększania jego złożoności.
Topologia – co opisuje
Topologia pokazuje, jak w siatce 3D są połączone wierzchołki, krawędzie i poligony. Chodzi tu przede wszystkim o układ geometrii i sposób, w jaki siatka została zbudowana. Dobra topologia ułatwia dalszą edycję modelu, teksturowanie i uzyskanie prawidłowego cieniowania. Ma również duże znaczenie w przypadku obiektów, które będą później animowane lub deformowane.
Jest też istotna przy optymalizacji poligonów. Nieprawidłowo przygotowana geometria może powodować problemy z cieniowaniem, teksturami czy dalszą obróbką modelu.
Poligony – trójkąty i quady
Poligony to podstawowe wielokąty, z których buduje się geometrię modelu 3D. Najczęściej spotkasz trójkąty i quady, czyli czworokąty.
Trójkąty są podstawową formą wykorzystywaną przez układy graficzne podczas przetwarzania geometrii. Z kolei quady są wygodne podczas modelowania i edycji siatki, dlatego często wykorzystuje się je na etapie tworzenia obiektu.
Liczba poligonów wpływa na złożoność modelu, ale sama w sobie nie przesądza o poziomie jego szczegółowości. Ważne jest przede wszystkim to, czy geometria została odpowiednio rozmieszczona tam, gdzie rzeczywiście jest potrzebna.
Materiały i tekstury w 3D
Materiały i tekstury 3D nadają modelom wygląd, który widzisz w gotowym renderze. Mogą odpowiadać między innymi za kolor, połysk, przezroczystość, strukturę powierzchni czy sposób odbijania światła. Dzięki nim cyfrowy model może wyglądać jak drewno, metal, szkło, tworzywo sztuczne lub tkanina.
W teksturowaniu szczególnie ważne są materiały PBR i tekstury PBR, ponieważ pozwalają wiarygodniej odwzorowywać zachowanie rzeczywistych powierzchni pod wpływem światła.
PBR – na czym polega
PBR, czyli Physically Based Rendering, to podejście do tworzenia materiałów i renderowania, którego celem jest możliwie wiarygodne odwzorowanie sposobu, w jaki powierzchnie reagują na światło.
Dzięki odpowiednio przygotowanym materiałom można realistycznie przedstawić między innymi metal, drewno, plastik, szkło czy tkaniny. Ma to szczególne znaczenie w wizualizacjach produktowych, gdzie materiał i jego wykończenie często są jednymi z najważniejszych cech produktu.
W praktyce wykorzystuje się takie właściwości jak chropowatość, metaliczność, kolor bazowy czy sposób odbijania światła. Razem pozwalają określić, czy powierzchnia ma wyglądać na matową, błyszczącą, metalową lub bardziej porowatą.
Materiały PBR zachowują swoje właściwości w różnych warunkach oświetleniowych, dzięki czemu pomagają uzyskać spójny wygląd produktu zarówno na prostym packshocie, jak i w rozbudowanej aranżacji.
Mapy tekstur: albedo, normal, roughness
Mapy tekstur to obrazy zawierające informacje wykorzystywane do określenia wyglądu powierzchni modelu.
Do najczęściej stosowanych należą:
- albedo — określa bazowy kolor powierzchni bez informacji o oświetleniu i cieniach,
- normal map — nie zmienia właściwej geometrii modelu, ale pozwala odwzorować drobne nierówności i detale poprzez zmianę sposobu cieniowania,
- roughness — określa chropowatość powierzchni i wpływa na charakter odbić światła.
W materiałach PBR różne mapy współpracują ze sobą, dzięki czemu można precyzyjniej odwzorować takie powierzchnie jak metal, skóra, kamień, drewno czy plastik.
UV i mapowanie UV
UV to dwuwymiarowy układ współrzędnych, który służy do przypisania tekstury do powierzchni modelu 3D. Z kolei mapowanie UV można porównać do „rozłożenia” powierzchni modelu na płasko, aby później precyzyjnie dopasować do niej tekstury.
Dobrze przygotowane UV ma duży wpływ na jakość teksturowania. Bez prawidłowego mapowania wzory mogą się przesuwać, rozciągać lub mieć niewłaściwą skalę. Jest to szczególnie istotne przy wizualizacji produktów, w których trzeba wiernie odwzorować na przykład układ tkaniny, strukturę drewna, nadruk, etykietę czy inne charakterystyczne elementy powierzchni.
Oświetlenie i kamera w scenie
Oświetlenie w scenie 3D ma ogromny wpływ na sposób odbioru gotowego renderu. Podkreśla kształt modelu, wydobywa strukturę materiałów i pomaga budować odpowiedni charakter obrazu. Nie mniej ważna jest kamera, która określa punkt widzenia, kompozycję oraz parametry takie jak ekspozycja, ogniskowa czy DOF.
Do najważniejszych elementów związanych z oświetleniem należą:
- efekty świetlne,
- globalne oświetlenie,
- cienie miękkie.
Odpowiednie połączenie światła i ustawień kamery pozwala uzyskać głębię, właściwie wyeksponować produkt lub wnętrze i sprawić, że render jest czytelny oraz przekonujący wizualnie.
HDRI – co daje w renderze
HDRI, czyli High Dynamic Range Image, to obraz zapisujący szeroki zakres jasności, który można wykorzystać między innymi do tworzenia realistycznego oświetlenia i odbić w scenie 3D. Pozwala odwzorować jednocześnie bardzo jasne źródła światła i znacznie ciemniejsze partie otoczenia.
HDRI często pomaga uzyskać naturalne światło bez konieczności ręcznego tworzenia każdego jego źródła. Dobrze sprawdza się między innymi w renderach produktów, wizualizacjach wnętrz i projektach, w których ważne są realistyczne odbicia oraz spójne oświetlenie sceny.
Rodzaje świateł: kierunkowe i punktowe
Światła kierunkowe i światła punktowe działają w scenie 3D w inny sposób, dlatego ich dobór wpływa na cieniowanie i wygląd renderu.
Światło kierunkowe działa podobnie jak światło słoneczne: jego promienie biegną w jednym kierunku niezależnie od położenia obiektu. Może więc służyć do symulowania światła padającego z dużej odległości.
Światło punktowe rozchodzi się natomiast z jednego miejsca w różnych kierunkach, dlatego może odwzorowywać niewielkie lokalne źródła światła.
Odpowiednie ustawienie oświetlenia pomaga podkreślić kształt produktu, strukturę materiałów i istotne detale. Przy wizualizacjach produktowych światło pełni więc nie tylko funkcję estetyczną, ale przede wszystkim pozwala czytelnie pokazać cechy prezentowanego obiektu.
Ekspozycja, ogniskowa i DOF
Ekspozycja wpływa na jasność obrazu, natomiast ogniskowa określa kąt widzenia kamery i wpływa na sposób odwzorowania perspektywy. Z kolei DOF, czyli Depth of Field, odpowiada za głębię ostrości. Dzięki niej wybrana część obrazu może pozostać wyraźna, podczas gdy pierwszy plan lub tło zostaną rozmyte.
Te parametry mają duże znaczenie dla kompozycji i sposobu prezentowania obiektów. Przykładowo:
- 35 mm pozwala uzyskać stosunkowo szeroki kąt widzenia,
- 85 mm daje węższy kadr i inny sposób odwzorowania perspektywy.
Samo rozmycie tła nie zależy jednak wyłącznie od ogniskowej. Znaczenie mają również ustawienia głębi ostrości oraz odległość kamery od fotografowanego obiektu i tła.
Renderowanie – jak powstaje obraz (silnik, ray tracing, rasteryzacja)
Renderowanie to proces, podczas którego silnik renderujący przetwarza przygotowaną scenę 3D i tworzy na jej podstawie obraz 2D. Uwzględnia między innymi geometrię, materiały, tekstury, oświetlenie oraz położenie kamery. W efekcie powstają kolory, cienie, odbicia i pozostałe elementy składające się na końcowy wygląd obrazu.
W zależności od zastosowania wykorzystuje się między innymi:
- rasteryzację,
- ray tracing.
Rasteryzacja jest szybkim sposobem przekształcania geometrii 3D w obraz wyświetlany na ekranie. Upraszczając, przelicza trójkąty tworzące modele na odpowiadające im piksele i określa, które fragmenty obiektów powinny być widoczne. Ze względu na dużą wydajność ma ogromne znaczenie w zastosowaniach działających w czasie rzeczywistym.
Ray tracing wykorzystuje inne podejście. Symuluje przebieg promieni światła i pozwala dokładniej określić, w jaki sposób światło odbija się od powierzchni, załamuje lub rozchodzi po scenie. Dzięki temu można uzyskać bardziej realistyczne odbicia, cienie, przezroczystości czy oświetlenie pośrednie. Techniki śledzenia promieni są więc szczególnie przydatne przy tworzeniu fotorealistycznych renderów produktów, wnętrz i innych scen 3D.
Współczesne rozwiązania mogą również łączyć różne techniki renderowania, wykorzystując szybsze metody do części obliczeń, a bardziej wymagające rozwiązania tam, gdzie istotny jest wysoki poziom realizmu.
Na końcową jakość renderu wpływa jednak nie tylko sama technika renderowania. Duże znaczenie ma przygotowanie geometrii, materiałów, tekstur i oświetlenia. Zbyt ciężka scena może niepotrzebnie wydłużać obliczenia, natomiast źle przygotowane materiały lub tekstury sprawią, że nawet zaawansowany silnik renderujący nie zapewni oczekiwanego efektu.
Animacja 3D – najważniejsze terminy
Animacje 3D pozwalają pokazać znacznie więcej niż statyczny wygląd modelu. Można dzięki nim zaprezentować obrót produktu, działanie mechanizmu, sposób składania konstrukcji, kolejne etapy montażu czy ruch kamery wokół obiektu.
Do podstawowych pojęć związanych z animacją należą między innymi rigging, keyframe, timeline oraz interpolacja. W szerszym świecie grafiki 3D wykorzystuje się również motion capture, stosowany przede wszystkim do rejestrowania i odwzorowywania ruchu ludzi oraz innych żywych postaci.
Rigging
Rigging polega na przygotowaniu systemu kości, kontrolerów i zależności, które umożliwiają sterowanie określonymi częściami modelu podczas animowania.
Technika jest często kojarzona z postaciami, ale może być wykorzystywana również przy bardziej złożonych produktach i mechanizmach. Odpowiednio przygotowany rig pozwala kontrolować na przykład otwieranie drzwi, ruch zawiasów, wysuwanie elementów czy pracę części urządzenia.
Dzięki temu nie trzeba za każdym razem ręcznie modyfikować geometrii. Animator steruje przygotowanymi wcześniej kontrolerami, zachowując prawidłowe zależności pomiędzy poszczególnymi częściami modelu.
Keyframe i timeline
Keyframe to klatka kluczowa, czyli konkretny moment na osi czasu, w którym zapisana zostaje wartość danego parametru, na przykład pozycja, obrót lub skala obiektu. Timeline to natomiast oś czasu, na której rozmieszcza się klatki kluczowe i kontroluje przebieg całej animacji.
Nie trzeba ustawiać keyframe’u dla każdej klatki gotowego filmu. Przykładowo animacja może być odtwarzana w 24 klatkach na sekundę, ale najważniejsze pozycje obiektu mogą zostać określone zaledwie za pomocą kilku klatek kluczowych. Program oblicza brakujące etapy ruchu pomiędzy nimi.
Interpolacja
Interpolacja to sposób, w jaki program oblicza wartości znajdujące się pomiędzy kolejnymi keyframe’ami.
Dzięki temu obiekt nie musi nagle przeskakiwać z jednej pozycji do drugiej, ale może wykonywać płynny ruch. Ten sam mechanizm stosuje się między innymi przy zmianie położenia, obrotu, skali i innych parametrów.
Rodzaj interpolacji wpływa także na dynamikę ruchu. Pozwala określić, czy obiekt ma ruszyć natychmiast, stopniowo przyspieszyć, zwolnić przed zatrzymaniem czy poruszać się przez cały czas ze zbliżoną prędkością.
Motion capture
Motion capture to technika polegająca na rejestrowaniu rzeczywistego ruchu i przenoszeniu zapisanych danych na cyfrowy model 3D. Wykorzystuje się ją przede wszystkim przy animowaniu postaci, między innymi w produkcjach filmowych i grach.
W przypadku wizualizacji i animacji produktowych zwykle większe znaczenie mają keyframe’y, rigging oraz precyzyjnie zaplanowany ruch obiektów i kamery. Pozwalają one kontrolować sposób prezentacji produktu, pokazać działanie jego mechanizmu, poszczególne etapy montażu lub cechy, których nie da się równie czytelnie przedstawić na pojedynczym statycznym renderze.
