Jak powstaje grafika 3D?

Kiedyś tworzenie obiektów trójwymiarowych zarezerwowane było dla specjalistycznych sektorów. Dzisiaj dziedzina ta coraz śmielej wkracza w niemal każdą strefę życia. Co więcej nieustannie ewoluuje, przynosząc niesamowite możliwości wizualizacji i kreacji. Zanim jednak powstanie obiekt, w środowisku cyfrowym musi pojawić się grafika 3D. To ona nadaje początek wszelkim projektom – od świata gier wideo po architekturę. A czym właściwie jest i jak powstaje grafika 3D? Sprawdźmy to.

Czym jest grafika 3D? Historia grafiki trójwymiarowej

Mówiąc najprościej, grafika 3D przenosi do świata cyfrowego wszystko to, co w rzeczywistości widzi twórca. Chcąc być jednak bardziej precyzyjnym, trzeba powiedzieć, że trójwymiarowe wizualizacje zostały stworzone, aby przedstawiać obiekty w sposób rzeczywisty, za pomocą specjalnie opracowanej prezentacji 3D, projektowanej komputerowo – np. w postaci specjalnej siatki wielokątów, modelu matematycznego lub przy zastosowaniu trójwymiarowych pikseli. Aby jednak powstał taki projekt, musi przejść kilka osobnych etapów tworzenia obrazów w wirtualnej rzeczywistości. 

Co ciekawe, grafika trójwymiarowa stworzyła mocny fundament dla drukarek 3D, które dzisiaj są w stanie przenosić cyfrowe obiekty do rzeczywistości. 

Więcej na ich temat dowiesz się z artykułów:

Odkryj:


Początki grafiki 3D

Historia grafiki 3D to opowieść o ciągłym poszukiwaniu nowych możliwości wizualizacji i kreacji. Od prostych modeli i animacji do zaawansowanych technik renderowania i animacji – trzeba przyznać, że grafika 3D przeszła bardzo długą drogę, stając się kluczowym elementem w świecie nowoczesnych technologii. 

Początki grafiki trójwymiarowej datuje się na lata 60. XX wieku, kiedy to pierwszy raz użyto sformułowania „grafika komputerowa”. To właśnie jej integralną częścią w przyszłości stanie się grafika 3D. 

Prawdziwa rewolucja w temacie samej grafiki trójwymiarowej rozpoczęła się dopiero od lat 70. XX wieku. Wówczas powstała animacja „A Computer Animated Hand” autorstwa Edwina Catmulla i Freda Parke z 1971 roku oraz film „Futureworld” z 1976 roku, który jako pierwszy wykorzystywał techniki modelowania 3D. 

Kolejnym przełomem w tej dziedzinie było powstanie programu 3D Art Graphics, autorstwa Kazumase Mitazawe w 1978 roku, dedykowanego ekosystemowi Apple. To on sprawił, że grafika trójwymiarowa zagościła nie tylko w specjalistycznych firmach, ale również w zwykłych domach, a co za tym idzie zrewolucjonizowała podejście do przedstawiania obrazów, stając się coraz bardziej dostępną i zaawansowaną formą wizualizacji. 

Zastosowanie grafiki trójwymiarowej

Grafika 3D ma wpływ na wiele dziedzin życia i pracy. Jej wszechstronność i zdolność do tworzenia realistycznych projektów sprawiły, że obecnie jest ona niezastąpiona w wielu branżach. 

Przykładowo, w medycynie znalazła zastosowanie zarówno w diagnostyce, jak i planowaniu operacji. Dzięki wizualizacjom 3D, lekarze mogą tworzyć szczegółowe modele organów pacjentów, co pomaga w precyzyjnym planowaniu zabiegów, lepszym zrozumieniu złożonych przypadków medycznych, a nawet tworzeniu skomplikowanych protez. 

Z kolei w architekturze i inżynierii grafika 3D otworzyła drogę do projektowania realistycznych modeli budynków i maszyn, wnętrz oraz zaawansowanych konstrukcji maszyn, które dzięki tak szczegółowemu przygotowaniu można sprawdzić i przetestować jeszcze przed ostateczną produkcją, a w ten sposób zminimalizować koszty zbędnych inwestycji. 

Rola trójwymiarowych grafik jest również kluczowa w nauce jako takiej, gdzie służy do tworzenia interaktywnych modeli edukacyjnych, szczególnie przydatnych w nauczaniu przedmiotów takich jak np. biologia, chemia, czy fizyka. W tym aspekcie służy więc jako nieoceniona pomoc naukowa. 

Nie sposób nie wspomnieć, że grafika 3D stała się nieodłącznym elementem przemysłu gier wideo i animacji komercyjnych, gdzie od momentu swojego powstania rozgościła się na dobre. Nie ma się co dziwić, bo dzięki możliwościom jakie za sobą niesie pozwala na tworzenie złożonych, dynamicznych światów i postaci, które są kluczowe dla doświadczeń immersyjnych graczy i fanów filmów animowanych. 

grafika 3D rozlane wino

Jak powstaje grafika 3D? Najważniejsze etapy

Mimo że dzisiaj grafika trójwymiarowa to już pewien standard, to trzeba sobie zdawać sprawę, że jej tworzenie jest skomplikowanym i wielopłaszczyznowym procesem, który wymaga zastosowania specjalnych technik, narzędzi i zaawansowanych technologii komputerowych. 

Kreowanie obrazów w cyfrowym trójmiarze dzieli się więc na kilka etapów, z których każdy jest równie ważny. Poniżej znajdziesz najważniejsze elementy każdego z nich.

Modelowanie

Modelowanie 3D to nie tylko techniczny proces tworzenia obiektów w środowisku cyfrowym, ale pewnego rodzaju sztuka, dająca niemal nieograniczone możliwości kreacji. Jest to pierwszy krok w tworzeniu grafiki 3D, który otwiera drzwi do niesamowitego świata wirtualnej rzeczywistości.

Dzisiaj do modelowania w tworzeniu grafiki 3D wykorzystuje się dedykowane ku temu programy, takie jak np. Blender, Autodesk Maya, Cinema 4D czy 3ds Max. Za ich pośrednictwem tworzy się specjalny szkic, który przekształcony zostaje w cyfrowy model. Chodzi dokładniej o specjalną siatkę – mesh, która składa się z wierzchołków, krawędzi i ścian, a w efekcie imituje trójwymiarowy kształt. To on będzie fundamentem dla ostatecznego wyglądu grafiki 3D.

Teksturowanie

Kiedy model jest gotowy, nadchodzi czas na teksturowanie. To etap, na którym obiektom nadaje się struktury, a w praktyce nakłada się na nie po prostu kolejne obrazy i materiały. Dzięki temu cyfrowe obiekty zyskują szczegółowe kolory, wzory i faktury, które sprawiają, że wyglądają bardziej naturalnie. Bez tego elementu byłyby po prostu płaskie i niewyraźne.

Teksturowanie wymaga od twórcy wysokiej precyzji, gdyż to właśnie ten etap decyduje o finalnym wyglądzie modelu 3D. Składa się na niego tworzenie poszczególnych warstw, nakładanie ich na zaprojektowaną wcześniej siatkę modelu oraz ostateczna optymalizacja. Teksturowanie ma szczególne znaczenie w przypadku grafik 3D wykorzystywanych w grach wideo, filmach, a nawet w architekturze. Mówiąc wprost, jest niezbędne wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wysoka jakość i realizm obrazu trójwymiarowego.

Oświetlenie

Nie mniej ważnym elementem tworzenia grafiki 3D jest jej oświetlenie. Dlaczego? Światło ma bezpośredni wpływ na realizm wyświetlanego obrazu. Poprzez odpowiednie zarządzenie oświetleniem w scenie 3D, graficy mogą manipulować cieniami i odbiciami, co znacząco wpływa atmosferę i rzeczywisty wygląd tego, co przedstawia taka wizualizacja. Dzięki temu to właśnie twórca ostatecznie definiuje grafikę 3D, nadając jej charakter i atmosferę. Niektórzy nawet nazywają ten etap zamienne „malowaniem światłem”. I z całą pewnością – coś w tym jest!

rednerowanie grafika 3d

Renderowanie

Kolejnym etapem jest renderowanie. To proces, w którym wszystkie elementy graficzne – modele, tekstury, oświetlenie i efekty specjalne są łączone, aby stworzyć ostateczny obraz lub sekwencję obrazów, czyli animację. 

Jakość renderowania ma bezpośredni wpływ na to, jak realistycznie i przekonująco prezentuje się grafika 3D. Wyróżnia się dwie podstawowe techniki renderowania:

  • Ray Tracing: technika, która symuluje sposób, w jaki światło odbija się od obiektów. Za jej pośrednictwem tworzy się bardzo realistyczne obrazy, ale jest obliczeniowo intensywna i wymagająca dla sprzętu i twórcy.
  • Rasterization: szybsza metoda, często używana w renderowaniu w czasie rzeczywistym, która w mgnieniu oka przekształca trójwymiarowe modele w dwuwymiarowe obrazy.

Bez względu na zastosowaną technikę, tak naprawdę renderowanie rozpoczyna się od przetworzenia wszystkich danych związanych ze sceną 3D, w tym geometrii, tekstur, oświetlenia i ustawień kamery. Następnie, inteligentne algorytmy obliczają, jak światło pada na obiekty, tworząc cienie i refleksy, co nadaje scenie głębię i realizm. Ostatecznie, na podstawie tych wszystkich informacji, tworzony jest finalny obraz.

Najpopularniejszymi rodzajami renderowania są Real-Time Rendering, który używany jest głównie w grach i symulacjach, gdzie liczy się szybkość przetwarzania obrazu, oraz charakteryzujący się wybitną jakością Pre-Rendering, spotykany najczęściej w filmach i animacjach.

Animacja

Wspomniana już animacja grafiki 3D zasługuje na osobny punkt, bo jest zbyt ważnym procesem, aby przejść obok niej obojętnie. To dzięki niej statyczne modele trójwymiarowe są ożywiane, co pozwala im na poruszanie się i interaktywne reakcje w wirtualnym świecie. Używając specjalistycznych narzędzi, animatorzy nadają ruch modelom 3D, co jest kluczowe w produkcji filmów animowanych czy gier wideo.

Animowanie w grafice 3D wymaga połączenia umiejętności technicznych i artystycznych. Twórcy, którzy się tym zajmują muszą mieć niebywałe wyczucie ruchu, fizyki, ekspresji oraz narracji, aby ich animacje były przekonujące i wpasowywały się w ogólny ton oraz styl projektu.

W zaawansowanych sytuacjach, takich jak filmy i gry, często wykorzystuje się technikę Motion Capture. Aktorzy poruszają się w specjalnych strojach z czujnikami, a ich ruch jest przechwytywany i przenoszony na modele 3D. Często stosowana jest tutaj także animacja facialna i Lip Sync, która dotyczy postaci mówiących. W tym przypadku synchronizuje się ruchy ust i mimikę twarzy z dialogami, co dodaje realizmu i ekspresji postaciom.

rednerowanie grafika 3d

Przyszłość grafiki 3D 

Grafika 3D, która obecnie jest już nieodłącznym elementem wielu dziedzin, od rozrywki po edukację, nadal ewoluuje, otwierając przed twórcami i odbiorcami nowe możliwości i horyzonty. 

Przypuszcza się, że jej rozwój w przyszłości skupi się na pogłębianiu obecnych atutów. Z pewnością będzie jeszcze bardziej realnie i intensywnie. Tym bardziej, że trójwymiarowe wizualizacje wkraczają w coraz to nowe strefy życia i technologii. W tym ostatnim przypadku wymienić można np. głębszą integrację grafiki 3D z wirtualną i rozszerzoną rzeczywistością, które dzięki jej potencjałowi mają szasnę stać się jeszcze bardziej atrakcyjne i wciągające dla odbiorcy.  

Trzeba też zaznaczyć, że coraz większą rolę w procesie tworzenia grafiki 3D zaczyna odgrywać sztuczna inteligencja AI, która pomaga na różnych etapach jej powstawania, a szczególnie sprawdza się w optymalizacji poszczególnych procesów, w tym w szczególności renderowania i modelowania. Efekt? Więcej możliwości i sposobów na wykorzystywanie jej atutów.

Źródła tekstu: 
  • https://www.adobe.com/pl/products/substance3d/discover/3d-texturing.html, 
  • https://pl.wikipedia.org/wiki/Teksturowanie, 
  • https://itmedia.pl/blog-wpis/co-to-jest-grafika-3d/, 
  • https://pl.wikipedia.org/wiki/Grafika_3D, 
  • https://www.adobe.com/products/substance3d/discover/3d-rendering.html, 
  • https://www.autodesk.com/solutions/3d-modeling-software, 
  • https://visengine.com/3d-rendering-where-it-all-began/