Презентация на тему «Компьютерная графика и 3D-моделирование»

Слайд 1. Компьютерная графика и 3D-моделирование

• От пикселя и вектора до полигональной сетки: как вычислительная техника строит изображение

Доклад: Здравствуйте! Тема моей работы — компьютерная графика и трёхмерное моделирование. Речь пойдёт о том, как вычислительная машина строит изображение: от отдельной светящейся точки на экране до полноценной объёмной модели изделия. Постараюсь показать не только красивую картинку, но и математику, которая за ней стоит.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Компьютерная графика как научная дисциплина
• Виды компьютерной графики
• Растровая и векторная графика
• Формирование растрового изображения
• История развития компьютерной графики
• Основоположники компьютерной графики
• Кривые Безье и векторные примитивы
• Цвет в компьютерной графике
• Трёхмерное моделирование: суть и задачи
• Методы трёхмерного моделирования
• Конвейер создания трёхмерной сцены
• Материал поверхности
• Освещение и модели затенения
• Рендеринг: растеризация и трассировка лучей
• Аппаратная основа: графический процессор
• Динамика рынка трёхмерной графики
• Области применения
• Тенденции развития
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Разговор построю так: сначала определимся с предметом дисциплины и её видами, затем разберём плоскую графику — растр, вектор, цвет. Дальше перейдём к трёхмерному моделированию: методы, конвейер производства, материалы, свет и визуализация. Завершим аппаратной базой, цифрами рынка, областями применения и перспективами.

Слайд 3. Введение

• Компьютерная графика превратилась из узкого инструмента инженеров в основу цифровой визуальной культуры: кино, игры, реклама, медицина, проектирование.
• Трёхмерное моделирование позволяет получить точную цифровую копию изделия до его изготовления и проверить её в виртуальных испытаниях.
• Мировой рынок трёхмерной графики и визуализации превысил пять миллиардов долларов и прибавляет около 15 % в год.
• Владение графическими средствами вошло в обязательные компетенции инженеров, дизайнеров, архитекторов и разработчиков.

Доклад: Начну с актуальности. Компьютерная графика давно вышла за пределы конструкторских бюро: сегодня это язык кино, игр, рекламы, медицины и промышленного проектирования. Трёхмерная модель позволяет испытать изделие до того, как будет изготовлена первая деталь. Неудивительно, что рынок растёт примерно на пятнадцать процентов в год, а работа с графическими средствами вошла в базовые компетенции инженера и дизайнера.

Слайд 4. Компьютерная графика как научная дисциплина

• Компьютерная графика — раздел информатики, изучающий методы создания, обработки, хранения и вывода изображений средствами вычислительной техники; трёхмерное моделирование — её ветвь, посвящённая построению математического описания объёмных объектов.
• 1963 — год рождения дисциплины — интерактивная система «Скетчпад»
• 3 — класса задач — синтез, обработка и анализ изображений
• 80 % — информации о мире — человек получает через зрение

Доклад: Дадим строгое определение. Компьютерная графика — это раздел информатики, который изучает методы создания, обработки, хранения и вывода изображений средствами вычислительной техники. Днём рождения дисциплины принято считать 1963 год, когда появилась интерактивная система «Скетчпад». Все задачи графики сводятся к трём классам: синтез изображения, его обработка и анализ. Внимание к этой области объяснимо: около восьмидесяти процентов сведений о мире человек получает через зрение.

Слайд 5. Виды компьютерной графики

• Изображение в компьютере описывается по-разному, и от способа описания зависят возможности редактирования, объём файла и область применения.
• Матрица точек
• Фотографии и сканы
• Зернистость при увеличении
• Большой объём файла
• Линии и заливки
• Логотипы и чертежи
• Масштаб без потерь
• Компактный файл
• Модель сцены
• Камера и свет
• Расчёт кадра
• Анимация движения
• Формула вместо точек
• Ландшафты и облака
• Самоподобие формы
• Природные текстуры

Доклад: Изображение внутри компьютера можно описать четырьмя принципиально разными способами. Растровая графика хранит матрицу точек и потому идеальна для фотографии. Векторная описывает линии и заливки формулами, поэтому её масштаб не ограничен. Трёхмерная хранит сцену с камерой и светом, а фрактальная задаёт форму рекурсивной формулой — так получают облака, горы и природные текстуры.

Слайд 6. Растровая и векторная графика

• Два базовых способа описать плоское изображение решают разные задачи, поэтому на практике их сочетают в одном проекте.
• Изображение — прямоугольная матрица точек, каждая со своим цветом
• Точно передаёт полутона, тени и фактуру реальной поверхности
• Объём файла растёт пропорционально площади и глубине цвета
• При увеличении проявляются зернистость и «лестница» на контурах
• Изображение — набор математически заданных кривых и заливок
• Масштабируется без потери резкости от визитки до баннера
• Файл компактен и правится перемещением опорных точек
• Плохо передаёт фотореалистичные полутона и сложные текстуры

Доклад: Сравним два основных плоских представления подробнее. Растр точно передаёт полутона и фактуру, но объём файла растёт вместе с площадью и глубиной цвета, а при увеличении вылезает зернистость и «лестница» на контурах. Вектор компактен, правится опорными точками и масштабируется без потерь, зато фотореалистичные переходы ему даются плохо. Поэтому в реальном проекте эти представления обычно сочетают.

Слайд 7. Формирование растрового изображения

• V = M × N × i
• V — информационный объём изображения, бит
• M × N — разрешение: число точек по горизонтали и вертикали
• i — глубина цвета: число бит, отведённых на одну точку

Доклад: Вот простая формула, с которой начинается любой расчёт объёма растровой картинки. Информационный объём равен произведению числа точек по горизонтали и вертикали на глубину цвета. Подставим значения кадра высокой чёткости: примерно два миллиона точек по двадцать четыре бита дают около шести мегабайт на один несжатый кадр. Отсюда понятно, зачем графике нужны алгоритмы сжатия.

Слайд 8. История развития компьютерной графики

• Дисциплина прошла путь от векторных экранов военных систем до фотореалистичного изображения, рассчитываемого в реальном времени.
• Каждый рывок опирался на рост вычислительной мощности и на новые математические модели формы и света.
• 1962 — кривые Безье для кузовов автомобилей
• 1963 — «Скетчпад», первый графический редактор
• 1975 — модель освещения Фонга
• 1982 — фильм «Трон» с машинной графикой
• 1995 — первый полнометражный трёхмерный мультфильм
• 2018 — трассировка лучей в реальном времени

Доклад: Пройдём по ключевым датам. В 1962 году Пьер Безье применил свои кривые к проектированию автомобильных кузовов, годом позже появился «Скетчпад». В 1975 году модель Фонга дала правдоподобный блик, в 1982-м машинная графика вышла на большой экран в фильме «Трон», а в 1995-м вышел первый полнометражный трёхмерный мультфильм. К 2018 году трассировка лучей стала работать в реальном времени.

Слайд 9. Основоположники компьютерной графики

• Айвен Сазерленд, 1938 г. р., Создал систему «Скетчпад» — первый интерактивный графический редактор и прообраз всех современных.
• Бенуа Мандельброт, 1924–2010, Построил теорию фракталов, на которой держится машинная генерация ландшафтов и природных текстур.
• Эд Кэтмелл, 1945 г. р., Предложил текстурирование поверхностей и буфер глубины, руководил созданием первого трёхмерного мультфильма.
• Джон Уорнок, 1940–2023, Автор алгоритма удаления невидимых поверхностей и языка описания печатных страниц.

Доклад: За каждым этапом стоят конкретные люди. Айвен Сазерленд создал первый интерактивный графический редактор и по сути задал жанр. Бенуа Мандельброт построил теорию фракталов, без которой не было бы машинных ландшафтов. Эд Кэтмелл предложил текстурирование и буфер глубины и довёл трёхмерную анимацию до полного метра. Джон Уорнок разработал алгоритм удаления невидимых поверхностей и язык описания печатной страницы.

Слайд 10. Кривые Безье и векторные примитивы

• Кривая Безье задаётся опорными точками: крайние лежат на самой кривой, промежуточные управляют её изгибом.
• Кубическая кривая с четырьмя точками — основной примитив контуров шрифтов и векторных редакторов.
• Метод предложен инженером Пьером Безье в 1962 году при проектировании кузовов автомобилей.
• Из отрезков кривых собираются логотипы, контуры букв и траектории движения камеры в анимации.

Доклад: Посмотрим на кривую Безье внимательнее. На рисунке четыре опорные точки: крайние лежат на самой кривой, а две промежуточные тянут её, задавая изгиб. Именно такая кубическая кривая описывает контуры шрифтов и фигуры в векторных редакторах. Заметьте: инструмент, придуманный для кузова автомобиля, сегодня рисует каждую букву на этом экране.

Слайд 11. Цвет в компьютерной графике

• Аддитивная модель — цвет экрана складывается из красного, зелёного и синего свечения точек.
• Субтрактивная модель — цвет оттиска получается вычитанием света печатными красками из белого листа.
• Глубина цвета — число бит на точку: 24 бита дают свыше 16 миллионов оттенков.
• Цветовой охват — диапазон оттенков, который способно воспроизвести конкретное устройство.
• Гамма-коррекция — согласование яркости изображения с нелинейным восприятием глаза.

Доклад: Несколько слов о цвете. Экран складывает цвет из красного, зелёного и синего свечения — это аддитивная модель. Печать работает наоборот: краски вычитают часть света из белого листа. Глубина цвета в двадцать четыре бита даёт более шестнадцати миллионов оттенков, но реально воспроизводимый диапазон ограничен цветовым охватом устройства. Поэтому изображение приходится согласовывать с восприятием глаза гамма-коррекцией.

Слайд 12. Трёхмерное моделирование: суть и задачи

• Трёхмерная модель описывает форму объекта координатами вершин, рёбрами и гранями в виртуальном пространстве.
• Полигональная сетка из треугольников — самый распространённый способ представления поверхности.
• Модель хранит не картинку, а геометрию: её можно повернуть, разрезать, измерить и напечатать.
• Плотность сетки выбирают компромиссом между точностью формы и скоростью обработки сцены.

Доклад: Переходим к трёхмерному моделированию. Модель — это не картинка, а геометрия: координаты вершин, рёбра и грани. На иллюстрации классический пример полигональной сетки: поверхность набрана из треугольников. Такую модель можно повернуть, измерить, разрезать сечением и отправить на печать. Главный практический вопрос — плотность сетки: чем она выше, тем точнее форма и тем дороже расчёт.

Слайд 13. Методы трёхмерного моделирования

• Полигональное — форма набирается из плоских граней; универсальный метод для игр и кино
• Сплайновое — поверхность задаётся гладкими кривыми; нужна точность в машиностроении
• Скульптурное — модель «лепится» виртуальными кистями; применяется для персонажей
• Процедурное — геометрия строится алгоритмом по параметрам: города, растения, ландшафты

Доклад: Методов построения модели четыре. Полигональное моделирование универсально и господствует в играх и кино. Сплайновое даёт математически гладкую поверхность, поэтому его выбирают в машиностроении, где важна точность. Скульптурное позволяет буквально лепить форму виртуальными кистями и незаменимо для персонажей. Процедурное строит геометрию алгоритмом по заданным параметрам — так создают города, растительность и ландшафты.

Слайд 14. Конвейер создания трёхмерной сцены

• Готовый кадр рождается из строгой последовательности операций, и порядок здесь нарушать нельзя.
• Ошибка раннего этапа умножается на всех последующих и обходится дороже всего.
• Моделирование — построение геометрии объектов сцены
• Текстурирование — развёртка поверхности и назначение материалов
• Оснастка — создание скелета и управляющих элементов
• Анимация — задание движения по ключевым кадрам
• Визуализация — расчёт итогового изображения

Доклад: Производство трёхмерной сцены устроено как конвейер. Сначала строится геометрия, затем поверхность разворачивается и получает материалы, после этого модель оснащают скелетом и управляющими элементами. Только потом задаётся движение по ключевым кадрам и, наконец, считается изображение. Порядок жёсткий: ошибка на раннем этапе умножается на всех следующих и обходится дороже всего.

Слайд 15. Материал поверхности

• Базовый цвет — собственный оттенок поверхности
• Шероховатость — степень размытия бликов и отражений
• Металличность — характер отражения света металлом
• Карта нормалей — иллюзия рельефа без лишних граней

Доклад: Материал — это не только цвет. Современное описание поверхности опирается на четыре параметра: базовый оттенок, шероховатость, которая размывает блик, металличность, задающую характер отражения, и карту нормалей. Последняя особенно ценна: она создаёт иллюзию мелкого рельефа, не добавляя ни одного лишнего полигона.

Слайд 16. Освещение и модели затенения

• Плоское затенение: одна нормаль на грань, полигоны видны как фасетки — зато расчёт самый быстрый.
• Затенение по Гуро: яркость считается в вершинах и растягивается по грани, поверхность выглядит гладкой.
• Затенение по Фонгу: нормаль пересчитывается в каждой точке, появляется правдоподобный зеркальный блик.
• Физически корректные модели опираются на закон сохранения энергии, поэтому материал узнаваем при любом свете.
• Глобальное освещение учитывает переотражения между поверхностями и даёт мягкие тени и подсветку.

Доклад: Свет описывается моделями затенения, и они выстроены по возрастанию правдоподобия. Плоское затенение самое быстрое, но выдаёт фасетки. Метод Гуро интерполирует яркость по грани и делает поверхность гладкой. Метод Фонга пересчитывает нормаль в каждой точке и даёт настоящий зеркальный блик. Физически корректные модели опираются на закон сохранения энергии, а глобальное освещение добавляет переотражения и мягкие тени.

Слайд 17. Рендеринг: растеризация и трассировка лучей

• Визуализация превращает описание сцены в готовое растровое изображение.
• Выбор метода определяется требованиями к скорости кадра и достоверности света.

Доклад: Финальный расчёт изображения выполняется одним из двух способов. Растеризация проецирует грани на экран и укладывается в миллисекунды, поэтому на ней держатся игры и тренажёры. Трассировка лучей прослеживает путь света и честно считает тени и отражения, но требует секунд и минут на кадр — это выбор кино, рекламы и дизайна. Таблица на слайде сводит различия воедино.

Слайд 18. Аппаратная основа: графический процессор

• Графический процессор содержит тысячи простых ядер и обрабатывает вершины и точки изображения параллельно.
• Видеопамять хранит текстуры, буфер кадра и буфер глубины, по которому определяется видимость поверхностей.
• Отдельные аппаратные блоки ускоряют трассировку лучей и нейросетевое повышение чёткости кадра.
• Производительность оценивают числом кадров в секунду при заданном разрешении и качестве картинки.

Доклад: Всю эту математику исполняет графический процессор. В нём тысячи простых ядер, которые обрабатывают вершины и точки изображения параллельно, а видеопамять хранит текстуры, буфер кадра и буфер глубины. В последних поколениях появились отдельные блоки для трассировки лучей и нейросетевого повышения чёткости. Результат работы измеряют числом кадров в секунду при заданном разрешении.

Слайд 19. Динамика рынка трёхмерной графики

• Спрос на трёхмерное содержание растёт вместе с игровой индустрией, промышленным проектированием и обучением.
• За шесть лет объём рынка вырос более чем вдвое.

Доклад: Цифры подтверждают, что направление растёт. За шесть лет объём мирового рынка трёхмерной графики увеличился с двух с половиной до пяти с лишним миллиардов долларов, то есть более чем вдвое. Спрос тянут сразу три силы: игровая индустрия, промышленное проектирование и образовательные тренажёры.

Слайд 20. Области применения

• 01 — Промышленность и строительство — цифровые двойники изделий и зданий вытесняют бумажные чертежи
• 02 — Медицина — по данным томографии печатают модели органов и планируют операции
• 03 — Кино и игры — виртуальные съёмочные площадки и персонажи с точной мимикой
• 04 — Образование — интерактивные тренажёры и виртуальные лаборатории вместо дорогого оборудования

Доклад: Области применения давно вышли за пределы развлечений. В промышленности и строительстве цифровые двойники вытесняют бумажные чертежи. В медицине по данным томографии печатают модели органов и заранее планируют ход операции. Кино и игры получили виртуальные съёмочные площадки, а образование — тренажёры и лаборатории, которые заменяют дорогое оборудование.

Слайд 21. Тенденции развития

• Кинокачество изображения в реальном времени
• Создание моделей и текстур нейросетями
• Облачный расчёт тяжёлых сцен
• Единые открытые форматы описания сцены
• Массовые устройства смешанной реальности

Доклад: Куда движется отрасль. Первое — качество кинокадра в реальном времени, граница между предрасчётом и игрой стирается. Второе — нейросети, которые уже создают текстуры и целые модели. Третье — перенос тяжёлых расчётов в облако. Четвёртое — единые открытые форматы описания сцены. И пятое — массовые устройства смешанной реальности, которым нужен трёхмерный контент.

Слайд 22. Выводы

• Компьютерная графика — самостоятельная научная дисциплина со своим аппаратом: геометрией, теорией цвета и моделями освещения.
• Растровое, векторное и трёхмерное представления решают разные задачи и потому дополняют друг друга.
• Трёхмерное моделирование стало базовой технологией проектирования: изделие проверяют расчётом до изготовления.
• Дальнейшее развитие определяют производительность графических процессоров и алгоритмы, в том числе нейросетевые.

Доклад: Подведём итоги. Компьютерная графика — самостоятельная научная дисциплина со своим математическим аппаратом: геометрией, теорией цвета и моделями освещения. Растровое, векторное и трёхмерное представления не конкурируют, а дополняют друг друга. Трёхмерное моделирование стало базовой технологией проектирования, а темп развития задают производительность графических процессоров и новые, в том числе нейросетевые, алгоритмы.

Слайд 23. Список литературы

• Никулин, Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики : учебное пособие / Е. А. Никулин. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2003. — 560 с.
• Порев, В. Н. Компьютерная графика : учебное пособие / В. Н. Порев. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2005. — 432 с.
• Роджерс, Д. Алгоритмические основы машинной графики / Д. Роджерс. — Москва : Мир, 1989. — 512 с.
• Херн, Д. Компьютерная графика и стандарт OpenGL : учебник / Д. Херн, М. П. Бейкер. — Москва : Вильямс, 2005. — 1168 с.
• Шикин, Е. В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения / Е. В. Шикин, А. В. Боресков. — Москва : ДИАЛОГ-МИФИ, 1996. — 288 с.

Доклад: В список литературы включены проверенные источники: классическая работа Роджерса по алгоритмическим основам машинной графики, учебники Херна и Бейкера, Порева, Никулина, а также книга Шикина и Борескова по реалистическим изображениям. Они дают и математику, и практику — с них удобно начинать углублённое изучение темы.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад завершён. Мы прошли путь от определения дисциплины до перспектив её развития и убедились, что за каждой картинкой на экране стоит строгая математика. Благодарю за внимание, готов ответить на вопросы.