Grafik komputer 3D

Grafik komputer tiga dimensi (3D)
Asas
Pemodelan Pengimbasan Perenderan Pencetakan
Kegunaan utama
Model 3D Reka bentuk berbantu komputer Reka bentuk grafik Permainan video Kesan visual Visualisasi Kejuruteraan maya Realiti maya Sinematografi maya
Topik berkaitan
Imej janaan komputer (CGI) Animasi komputer rangka Paparan 3D Model rangka dawai Pemetaan tekstur Penangkapan gerakan Simulasi keramaian Pencahayaan sejagat Perenderan isi padu
l b s

Grafik komputer 3D atau grafik komputer tiga dimensi (dibandingkan dengan grafik komputer 2D) merupakan grafik yang menggunakan data geometri (selalunya Cartesian) dalam representasi tiga dimensi yang disimpan dalam komputer untuk tujuan melakukan perhitungan dan mengolah imej 2D. Imej yang terhasil boleh disimpan untuk ditayangkan kemudian (sebagai animasi) ataupun dipaparkan secara masa nyata. Ini berbeza dengan filem 3D dan teknik seumpamanya kerana hasilnya tetap dua dimensi tanpa menghasilkan ilusi yang padu.

Grafik komputer 3D bergantung pada kebanyakan algoritma yang sama dengan grafik vektor komputer 2D dalam model rangka dawai dan grafik raster komputer 2D dalam paparan render akhir. Dalam perisian grafik komputer, aplikasi 2D boleh menggunakan teknik-teknik 3D untuk mencapai kesan-kesan seperti pencahayaan, dan begitu juga, 3D boleh menggunakan beberapa teknik perenderan 2D.

Objek-objek dalam grafik komputer 3D sering dipanggil model 3D. Tidak seperti imej yang dirender, data model terkandung dalam fail data grafik. Model 3D merupakan representasi matematik akan sebarang objek 3D; secara teknikal, model bukan grafik sehingga dipaparkan. Model boleh dipaparkan secara visual sebagai imej dua dimensi melalui proses yang dipanggil perenderan 3D, ataupun digunakan dalam simulasi dan perhitungan bukan grafik. Dengan pencetakan 3D, model dirender menjadi representasi fizikal 3D sebenar, tetapi ada hadnya sepersis mana padanan model fizikal dengan model maya.^[1]

Sejarah

William Fetter dikenali kerana mencipta istilah computer graphics (grafik komputer) pada tahun 1961^[2][3] untuk menghuraikan tugasnya di Boeing. Antara hasil animasi komputer yang terawal ditayangkan ialah Futureworld (1976) yang berupa animasi muka dan tangan manusia yang pernah muncul dalam filem pendek percubaan bertajuk A Computer Animated Hand (1971) yang dicipta oleh dua orang mahasiswa Universiti Utah iaitu Edwin Catmull dan Fred Parke.^[4]

Perisian grafik komputer 3D mula diedarkan untuk kegunaan komputer rumah pada tahun 1970-an. Contoh terawal yang diketahui ialah 3D Art Graphics, satu set kesan grafik komputer 3D yang dicipta oleh Kazumasa Mitazawa dan dikeluarkan pada Jun 1978 untuk Apple II.^[5][6]

Ikhtisar

Aliran kerja penerbitan grafik komputer 3D terdiri daripada tiga fasa utama:

1. Pemodelan (modelingcode: en is deprecated ) – mengacu model bagi rupa sesuatu objek
2. Susun atur dan animasi (layout and animationcode: en is deprecated ) – menata susun letak dan gerak-geri objek-objek (model, cahaya dsb.) dalam sesebuah adegan
3. Perenderan (renderingcode: en is deprecated ) – komputasi komputer yang menjana imej berdasarkan susun letak cahaya, jenis permukaan, dan lain-lain sifat yang ditentukan

Pemodelan

Model merupakan hasil bentukan rupa objek. Terdapat dua punca model 3D yang paling umum digunakan, iaitu: model yang dizahirkan oleh artis atau jurutera dalam komputer menerusi alat pemodelan 3D; dan model yang diimbas ke dalam komputer dari objek di dunia sebenar. Antara alatan-alatan popular yang digunakan dalam pemodelan 3D ialah Polygonal Modeling, Patch Modeling dan NURBS Modeling. Selain itu, model juga boleh dihasilkan secara prosedural atau menerusi simulasi fizikal. Pada asasnya, model 3D dibentuk daripada bucu-bucu (verticescode: en is deprecated ) yang menentukan rupa dan membentuk poligon. Poligon merupakan satah yang terbentuk daripada sekurang-kurangnya tiga bucu (segi tiga). Poligon berbucu n dipanggil n-gon.^[7] Keutuhan seluruh model dan kesesuaiannya untuk digunakan dalam animasi terpulang kepada struktur semua poligonnya.

Susun atur dan animasi

Sebelum diolah menjadi imej, objek-objek mesti disusun dalam satu adegan. Ini akan menentukan hubungan ruang sesama objek, termasuk lokasi dan saiz. Animasi mengenai soal sifat temporal objek, iaitu gerak-geri dan perubahan bentuknya sepanjang suatu tempoh. Antara kaedah-kaedah umum termasuk keyframing, kinematik songsang, dan tangkapan gerakan (motion capture). Kaedah-kaedah ini sering digunakan sekali gus. Seperti animasi, simulasi fizikal juga menentukan pergerakan objek.

Material dan tekstur

Material dan tekstur merupakan sifat-sifat yang digunakan oleh enjin rendering untuk mengolah model. Material boleh diberikan kepada model untuk menunjukkan kepada enjin rendering cara-cara untuk mengolah cahaya yang mengena permukaan. Tekstur pula digunakan untuk mewarnai material dengan menggunakan peta warna atau peta albedo, atau membentuk ciri-ciri permukaan dengan menggunakan peta bertompok (bump mapcode: en is deprecated ) atau peta normal (normal mapcode: en is deprecated ). Tekstur juga boleh digunakan untuk mengubah bentuk model menggunakan peta anjakan (displacement mapcode: en is deprecated ).

Perenderan

Perenderan atau pengemasan adalah proses menukar model kepada imej, sama ada dengan mensimulasikan pancaran cahaya untuk memperoleh imej fotorealistik, ataupun mengenakan suatu gaya seni secara tidak fotorealistik. Perenderan realistik melibatkan dua operasi asas, iaitu pemancaran (transportcode: en is deprecated ), iaitu berapa banyak cahaya yang sampai dari satu tempat ke satu tempat; dan penyebaran (scatteringcode: en is deprecated ), iaitu cara permukaan berinteraksi dengan cahaya. Langkah ini selalunya dilakukan dengan menggunakan perisian atau antara muka pengaturcaraan aplikasi (API) grafik 3D. Kerja meminda adegan kepada keadaan yang sesuai untuk dirender juga melibatkan unjuran 3D yang memaparkan imej tiga dimensi pada satah dua dimensi. Walaupun terdapat perisian pemodelan 3D dan reka bentuk berbantukan komputer (CAD) yang juga boleh melakukan perenderan 3D (cth. Autodesk 3ds Max atau Blender), tetapi juga terdapat perisian yang melakukan perenderan 3D sahaja (cth. Octane Rendering Engine oleh OTOY, Redshift oleh Maxon).

• Contoh-contoh perenderan 3D
• 
  Hasil perenderan 3D secara penyurihan sinar dan oklusi ambien menggunakan perisian Blender dan YafaRay
• 
  Model 3D Kapal tempur kelas Dunkerque yang diolah menggunakan pembayangan rata
• 
  Sewaktu langkah perenderan 3D, jumlah pantulan yang boleh diambil oleh "sinar cahaya" di samping juga pelbagai atribut lain, boleh disesuaikan untuk mencapai kesan visual yang diidamkan. Dirender dengan Cobalt.

Perisian

Perisian grafik komputer 3D menghasilkan imej janaan komputer (CGI) menerusi pemodelan 3D dan perenderan 3D, atau menghasilkan model 3D untuk tujuan analisis, sains dan industri.

Format fail

Terdapat banyak jenis fail yang menyokong grafik 3D, contohnya: .obj (Wavefront) dan .x (DirectX). Pada umumnya, setiap jenis fail mempunyai struktur data tersendiri.

Setiap format fail boleh diakses melalui aplikasi masing-masing, seperti fail DirectX, dan Quake. Secara alternatif, fail boleh diakses melalui program kendiri pihak ketiga ataupun secara "dekompilasi manual" (iaitu mengolah semula kod terbaca komputer ke dalam bentuk kod sumber terbaca manusia).

Pemodelan

Perisian pemodelan 3D merupakan sekelas perisian grafik komputer3D yang digunakan untuk menghasilkan model 3D. Setiap satu atur cara dalam kelas ini dipanggil aplikasi pemodelan atau "modelercode: en is deprecated ".

Modeler 3D membolehkan pengguna untuk mencipta dan meminda model melalui jaringan poligon 3D. Pengguna boleh menambah, mengikis, meregangkan atau mengubah jaringan dalam apa jua cara sekalipun mengikut kehendak sendiri. Model boleh dipaparkan dari berbilang sudut, lazimnya secara serentak. Model juga boleh diputarkan dan paparannya boleh dizum dekat atau jauh.

Modeler 3D boleh mengeksport model ke dalam fail, yang kemudian boleh diimport ke dalam aplikasi lain selagi metadatanya serasi. Terdapat banyak modeler yang membolehkan pemasangan pengimport dan pengeksport supaya dapat membaca dan menulis data dalam format asli aplikasi lain.

Kebanyakan modeler 3D mempunyai beberapa ciri-ciri berkaitan seperti penyurih sinar (ray tracercode: en is deprecated ) dan kaedah-kaedah perenderan lain serta kemudahan pemetaan tekstur. Ada juga yang mempunyai ciri-ciri yang menyokong atau membolehkan animasi model. Ada juga yang boleh menjana video gerakan penuh (full-motion videocode: en is deprecated ) daripada serangkai adegan-adegan yang telah dirender (iaitu animasi).

Reka bentuk berbantukan komputer

Perisian reka bentuk berbantukan komputer (computer aided designcode: en is deprecated , CAD) boleh menggunakan teknik-teknik asas pemodelan 3D yang sama dengan perisian pemodelan 3D, tetapi tujuannya berbeza. Perisian CAD digunakan dalam bidang-bidang kejuruteraan berbantukan komputer, pengilangan berbantukan komputer, analisis unsur terhingga, pengurusan kitaran hidup produk, pencetakan 3D dan reka bina berbantukan komputer.

Alat pelengkap

Video selepas dihasilkan kemudian melalui proses penyuntingan (editingcode: en is deprecated ) atau penggubahan (compositingcode: en is deprecated ) dengan menggunakan program-program tahap sederhana seperti Adobe Premiere Pro atau Final Cut Pro, ataupun yang bertahap tinggi seperti Autodesk Combustion, Digital Fusion, dan Shake. Sering digunakan perisian match moving untuk memadankan video langsung dengan video janaan komputer dan menyegerakkan kedua-dua video sepanjang pergerakan kamera.

Penggunaan enjin grafik komputer masa nyata untuk mencipta terbitan sinematik adalah dipanggil machinima.^[8]

Perbezaan dengan jenis grafik komputer lain

Perbezaan dengan grafik 2D fotorealistik

Bukan semua grafik komputer yang kelihatan 3D berdasarkan model rangka dawai (wireframecode: en is deprecated ). Grafik komputer 2D dengan kesan fotorealistik 3D sering tercapai tanpa pemodelan rangka dawai dan kadang-kadang tidak ketara pada bentuk akhirnya. Sesetengah perisian seni grafik dilengkapi dengan penuras (filtercode: en is deprecated ) yang boleh diaplikasikan pada grafik vektor 2D atau grafik raster 2D di atas lapisan lutsinar. Ahli seni visual juga boleh menyalin atau memvisualisasikan kesan 3D dan merender kesan fotorealistik tanpa menggunakan penuras.

3D palsu dan 3D sejati

Sesetengah permainan video menggunakan unjuran persekitaran tiga dimensi yang terhad seperti unjuran isometrik atau kamera maya bersudut tetap, sama ada untuk meningkatkan prestasi enjin permainan ataupun atas sebab penggayaan dan cara permainan. Permainan sedemikian dikatakan menggunakan grafik 3D palsu (pseudo 3Dcode: en is deprecated ). Sebaliknya, permainan yang menggunakan grafik komputer 3D tanpa kekangan sedemikian dikatakan 3D sejati.

Rujukan

Pautan luar