اصول گرافیک سه بعدی

[ماتینا 4434]

فضای سه بعدی :

 

فضای سه بعدی ( 3D Space ) عبارت از یک مکعب ریاضی تعریف شده در داخل کامپیوتر و کنترل شده توسط نرم افزارهای گرافیکی میباشد.

همانند فضای واقعی ، محیط سه بعدی داخل نرم افزار نیز نامحدود بوده و ضمن استفاده از مختصات مناسب مشخص میگردد. مختصات :

در فضای سه بعدی ، کوچکترین فضای قابل اشغال عبارت از یک نقطه ( Point ) می باشد.

هر نقطه توسط مجموعه منحصر بفردی از سه عدد که اصطلاحا به آن مختصات ( Coordinates ) گفته میشود ، در فضای سه بعدی مشخص میگردد. به عنوان مثال مختصات مبدا یا مرکز فضای سه بعدی توسط مختصات ( 0,0,0 ) معرفی میشود.

به این ترتیب هر نقطه از فضای سه بعدی دارای یک مختصات منحصر بفرد بوده که به ترتیب نمایانگر ارتفاع ، عرض و عمق آن نقطه میباشد.

محورها :

 

هر محور ( Axis ) عبارت از یک خط فرضی است که یک امتداد خاص در فضای سه بعدی را مشخص میکند. بطور کلی سه محور استاندارد Y ، X و Z وجود دارد که در شکل زیر میبینید :

 

کاربردهای مشترک گرافیک سه بعدی :

 

گرافیک سه بعدی در برنامه های کامپیوتری جدید کاربرد بسیاری دارد. که برنامه ها از گرافیک سه بعدی استفاده میکنند از بازیهای اینتراکتیو سه بعدی تا شبیه سازی و پزشکی و مصارف شغلی متفاوت است. محصولات پر کیفیت سه بعدی راه خودشان را به سمت فیلمها و صنعت و آموزش به خوبی پیدا کرده اند. Real-time 3D :

گرافیک های سه بعدی بلادرنگ متحرک هستند و با کاربر فعل و انفعال دارند. یکی از اولین استفاده ها از گرافیک بلادرنگ سه بعدی شبیه سازی پرواز در امور نظامی بود.

برنامه ها برای گرافیک سه بعدی بر روی کامپیوترها تقریبا بیشمار هستند. شاید عمومی ترین استفاده از گرافیک کامپیوتری سه بعدی بازیهای رایانه ای باشند. امروزه به سختی میتوان کامپیوتری را یافت که نیاز به یک کارت گرافیک سه بعدی نداشته باشد. سه بعدی همیشه برای تجسمات علمی و برنامه های مهندسی معروف بوده است.

رابط های گرافیکی نرم افزاری هم از سخت افزار سه بعدی استفاده فراوان میبرند. برای مثال ورژن کنونی سیستم عامل مکینتاش یعنی Mac OS X برای رندر کردن تمام پنجره‌ها و کنترل‌ها و جلوه های تصویری از OpenGL استفاده میکند.

 

گرافیک سه بعدی غیر همزمان Non-Real-Time :

 

برای برنامه‌هایی که از گرافیک سه بعدی بلادرنگ استفاده میکنند قانونی وجود دارد. با دادن فرصت بیشتری برای پردازش تصاویر شما می‌توانید گرافیک‌های سه بعدی با کیفیت بالاتری ایجاد نمایید.

به طور مثال بعضی از نرم افزارهای مدل سازی از گرافیک سه‌بعدی بلادرنگ برای تقابل با هنرمند برای خلق محتوای مورد نظرش استفاده می‌کنند.

سپس تصاویر به برنامه دیگری فرستاده می‌شوند (ray tracer) که تصاویر را رندر می‌کنند. رندر کردن یک فریم تنها برای انیمیشنی مانند داستان اسباب بازی به ساعتها زمان بر روی یک کامپیوتر سریع نیاز دارد.

این پروسه رندر و ذخیره سازی صدها فریم یک انیمیشن را می‌سازد که بطور رشته متوالی قابل پخش مجدد می‌باشد. اگرچه پخش تصاویر انیمیشن ممکن است یک عمل بلادرنگ به نظر برسد اما اینطور نیست. چون آن اینتراکتیو نیست در نتیجه آن بلادرنگ نیست بلکه بیشتر یک سری تصاویر از پیش رندر شده می‌باشد.

شاید تا حالا واژه رندر (render) را زیاد شنیده باشید، این عبارت در کل به معنای خلق تصاویر دو بعدی از اشیاء سه بعدی بر روی صفحه کامپیوتر میباشد.

از گره شروع میکنیم تا ببینیم اشیاء سه بعدی که در صفحه مانیتور میبینم واقعا از چه چیزی تشکیل شده اند. یک مکعب را در نظر بگیرید. مکعبها هشت گوشه دارند که این هشت گوشه خود شش وجه میسازند. هر یک از وجوه( face) یک مربع هستند. و میتوان گفت که هر مربع از کنار هم قرار گرفتن دو مثلث تشکیل شده است.

سخت افزارهای گرافیکی در حقیقت فقط میتوانند سه عنصر نقطه، خط، و مثلث را رسم کنند باید گفت که حتی پیچیده ترین سطوح - از یک مربع ساده گرفته تا یک نوار موبیوس – از مثلثها تشکیل شده اند. یک نکته مهم در مورد کارت های گرافیکی این است که آنها به هیچ وجه قادر نیستند بطور مستقیم منحنی رسم کنند، و حتی چند ضلعی های بیشتر از سه گوش را هم عملا نمیشناسند.

 

نکته مهم دیگر این که هم صفحه بودن در گرافیک کامپیوتری بسیار با اهمیت میباشد، و از این رو تنها سطحی که سخت افزارهای سه بعدی قادر به رسم مستقیم آن هستند، مثلث میباشد. عملیات شکستن سطوح منحنی به مثلثهای کوچک، tessellation نامیده میشود که این روزها در برنامه های گرافیکی بعنوان یک قابلیت مهم تلقی میشود.

 

در واقع اصطلاح Higher Order Primitive (اشیاء سطح بالا) به اشیائی اشاره دارد که هم صفحه نیستند، مثلا سطوح درجه دو یا منحنی ها. اگرچه ممکن است خیلی برنامه ها آنها را تنها با گرفتن چند ورودی از شما بر روی صفحه رسم کنند، ولی چیزی که اتفاق می