Введение в компьютерную графику. 3D в развлечениях.

Продолжение. Предыдущая часть.

Компьютерная графика в играх и фильмах

Пожалуй, самый визуально лакомый кусочек 3D графики производится для игр и фильмов. Даже, скорее, для фильмов и игр. Красивая картинка очень важна в том и том случае. И не просто красивая, а качественная. В идеале зритель/игрок не должен различать где 3D, а где реальные съемки. И если для кино это достижимо, то только сейчас возможности игровых компьютеров начинают приближаться к фотореалистичности, как иногда называют соответствие картинки реальному миру. Но еще не один год легко можно будет отличить компьютерную игру от видеосъемки. И связано это не только с ограниченной мощностью персональных компьютеров, но и с несовершенством компьютерных моделей. В данном случае имеются в виду не 3D модели как таковые, а алгоритмы визуализации. Просчитать картинку с фотореалистической точностью да еще и в режиме реального времени - это очень сложная задача и алгоритмически.
Вспомним некоторые фильмы с применением 3D визуализации. Первым на ум приходит конечно же "Терминатор", особенно вторая часть. Но в те времена возможности 3D были намного слабее, чем сейчас. Большинство кадров снималось с использованием макетов и кукол. Затем был "Парк юрского периода" - много компьютерных спецэффектов. Потом "Матрица". Тоже много 3D. В фильме "Титаник" компьютеру тоже отводилось большая роль, кроме самой картинки с его помощью рассчитывалось поведение людей на палубе во время крушения. Ну, и на последок, такие "монстры" кинематографических 3D сцен, как "Властелин колец", "Звездные войны" и, конечно же, "Аватар". Над последним фильмом компьютеры трудились целых два года обсчитывая картинку. Нельзя не упомянуть "Последнюю фантазию", но это скорее мультфильм, так как фотореалистичности как таковой там нет, хотя достижения в области "съемок" без актеров в этом фильме налицо (такой вот каламбур).
На создание фильмов с качественной 3D картинкой уходит очень много времени и компьютерных ресурсов. Для создания даже нескольких секунд 3D картинки в фильме трудится целая студия, а то и не одна. Десятки и сотни компьютеров одновременно считают кадр за кадром. А для стандарта 60 кадров в секунду только для 5 секунд необходимо 300 кадров.
Для чего же используют в фильмах 3D графику? Во-первых это так называемые спецэффекты когда желаемый результат невозможно получить реальными съемками, существует угроза жизни и здоровью актеров, съемки без применения компьютера слишком дороги или нецелесообразны. Никто не даст разрушить настоящий функционирующий мост ради съемок или затопить ветку метро. Взрыв на съемочной площадке опасен для жизни, а космические корабли пришельцев пока невозможно арендовать для съемок. Супергерои не умеют прыгать без риска здоровью с крыши небоскреба, а ежик не будет танцевать перед камерой. Для всего этого необходима 3D графика.
До повального прихода компьютеров в нашу жизнь спецэффекты в фильмах создавались с помощью декораций, кукол, съемки на фоне киноэкрана с нужным фоном. Это был очень популярный трюк: актер в автомобиле, автомобиль в студии, позади на экране мелькают придорожные кусты, актер делает вид, что отчаянно управляет авто, которое раскачивают из стороны в сторону. Подмена видна невооруженным глазом. Например, в фильме "17 мгновений весны" очень хорошо видно когда водитель и автомобиль снимались на улице, а когда в студии.
С приходим 3D в кинематограф возможности по созданию спецэффектов на экране многократно расширились. Появилась технология Motion capture, переводится как захват движения. *

Суть технологии в следующем. На актера надевают специальный костюм с датчиками или нарисованными в определенным местах определенным цветом точками. Актер играет роль, камеры снимают движения на монотонном, часто зеленом фоне. Затем специальное ПО обрабатывает картинку, получая траекторию движения каждой точки. В последствии эти точки привязываются к компьютерному персонажу. Подменяется фон. И в итоговой картинке уже не актер бегает и прыгает, а компьютерный персонаж.
Часто подменяют только окружение, а актер остается в итоговом кадре. Например, средневековый рыцарь на башне замка - актер, а сам замок, небо и все остальное - нарисованное. Еще излюбленный прием, который появился раньше всех из 3D спецэффектов в кино - помещать нарисованного персонажа/предметы в реальное окружение. Этот прием используется в огромном количестве фильмов, тот же "Терминатор", "Скуби Ду", "Гарфилд" и др.
Сейчас модно рассуждать о том, заменят ли компьютеры натуральные съемки и актеров в обозримом будущем? Для того, чтобы сыграть хорошо роль, озвучить ее - одного компьютера мало - нужен талант. По крайней мере пока, компьютеры не обладают ни интеллектом ни талантом. Вывод напрашивается сам собой.
Как бы там ни было - 3D в кинематографе - это, пусть мощный, но всего лишь инструмент для воплощения в жизнь режиссерских задумок.

Компьютерная графика в компьютерных играх

Давным-давно компьютеры были просто огромными и стоили миллионы солидных денег. Затем прогресс сделал их просто большими, еще позже компьютер стал настолько маленьким и дешевым, что из лабораторий учреждений перекочевал в квартиры. На заре становления персонального компьютера игры в основном были текстовыми: описывалась обстановка в которой находится игрок, последний должен был писать набирать на клавиатуре команды типа "Открыть дверь" или "Взять чашку" в процессе решения различного рода головоломок. Такие игры называют текстовыми квестами, от анг. Quest, что можно перевести как "производить поиски" или просто "искать". Время шло. Появились графические двумерные квесты. На экране монитора отображались локации (от анг. location - расположение или местонахождение) по которым путешествовал нарисованный герой. Стоит вспомнить прекрасные квесты от Sierra On-Line: Mystery House - первый графический квест в истории компьютерных игр, King's Quest IV, серии Leisure Suit Larry, Space Quest.
Все эти игры были "плоскими", локации рисовались художниками и в общем были статическими. Многим игрокам хотелось того, что в английском называют Action - действия, т.е. динамического развития событий когда локации изменяются в зависимости не только от местонахождения игрока, но и его взгляда. В первую очередь это так называемый вид от первого лица. А для этого статической плоской картинки уже недостаточно, а мощности компьютера должны быть в состоянии каждую секунду пересчитывать картинку в так называемой перспективе, когда удаленные предметы выглядят меньше, чем приближенные. Это уже полноценное 3D. Самые известные из динамических игр от первого лица - это так называемые шутеры, от анг. shoot - стрелять. Игрок в таких играх обычно с оружием бегает по локациям и уничтожает врагов, а игровой движок (game engine, программа которая отвечает за вывод трехмерной картинки и взаимодействие персонажа с игровым миром) несколько раз в секунду (для комфортной игра не менее 30 раз) обновляет картинку на экране. У игрока создается впечатление движения. Значимыми 3D шутерами от первого лица являются Wolfenstein 3D, Doom, Quake.
В наше время практически все игры трехмерные, хотя есть и исключения. И трехмерные не только шутеры от первого лица, но и стратегии, файтинги, симуляторы и т.д., даже квесты. С одной стороны 3D более универсальный подход к созданию игры, с другой существуют игровые движки сторонних разработчиков которые можно использовать в своих играх. Таким образом студия-разработчик избавляется от необходимости писать программы (ну, почти) и сосредотачивается собственно на игре.

Поскольку картинку в игре необходимо визуализировать в реальном времени, то компьютерная графика пока не может претендовать на реалистичность. Сами по себе модели для игр угловаты, не могут похвастаться излишней детализацией. Многие недостатки 3D модели приходится исправлять с помощью текстур, дорисовывая мелкие детали. Такие модели называются низкополигональными (Low-Poly) в отличии от высокодетализированных (High-Poly). К тому же реалистичное изображение - это не только достоверная геометрия, но и достоверное освещение, отражение, тени и т.п.. И просчет всего этого в реальном времени так же упирается в мощности и алгоритмы. Современные игры довольно реалистичны, но за это приходится платить дорогостоящими комплектующими и повышенным энергопотреблением.

К тому же качественная графика требует и много места на диске. Но тут спасает то, что объемы жестких дисков пока увеличиваются, а скорость Internet соединений растет. При чем тут Internet? Многие игроки уже не покупают игры на оптических дисках, а скачивают из магазинов цифровой дистрибьюции. Как правило, цифровые копии несколько дешевле дисковой версии.

В этой и предыдущих частях было много рассказано об областях применения 3D компьютерной графики. А как же это работает? Об этом дальше.

Продолжение

* - Все изображения являются собственность их владельцев