ANALIZA NEKIH PROGRAMSKIH ALATA U PRIMJENI 3D MODELIRANJA

Zvonimir Sabati, Andrija Bernik, Dora Jovanovska

Sažetak

Računalna grafika je dio multimedije koji u pravilu ne obuhvaća tekst i zvuk, nastaje pomoću računala, a bavi se manipulacijom i kreiranjem vizualnog sadržaja. Početkom osamdesetih godina prošlog stoljeća započinje razvoj i primjena 3D grafike potaknuta grafičkim sučeljem Amiga i Machintosh računala. Neka od područja primjene računalne grafike danas su: televizija, simulacije, arhitektura, medicina, multimedija, računalne igre, specijalni efekti te filmska industrija. Svaki programski alat je u pravilu specijaliziran za određeno područje primjene. Osnovni zahtjev programskih alata za 3D modeliranje je proces izgradnje 3D modela i kompatibilnost formata za povezivanje s drugim aplikacijama. Područja primjene diktiraju i neke od specifičnih karakteristika poput simulacije mehaničkih i fizičkih procesa te fotorealistična vizualizacija modela. Produkt korištenja 3D programskih alata je proizvod čija je funkcija uvjetovana područjem primjene. Moderni trendovi impliciraju veću funkcionalnost i mogućnosti programskih alata kako bi zadovoljili potrebe eksperata, ali i krajnjih korisnika.

Uvod

Računalna grafika je dio multimedije koji u pravilu ne obuhvaća tekst i zvuk, nastaje pomoću računala, a bavi se kreiranjem i manipulacijom vizualnog sadržaja. Obuhvaća stvaranje, pohranu i uporabu modela i slika objekta. Modeli i objekti računalne grafike potječu iz različitih područja primjene poput znanosti, prirode i apstraktnih koncepata. Razlikuju se dvije osnovne kategorije prikaza računalne grafike, a to su vektorski i rasterski prikaz. Vektorski sustav koristi matematičke linije i krivulje, dok rasterski sustav sliku prikazuje pomoću osnovnih elemenata – piksela. Predmet računalne grafike je sinteza slika na temelju modela stvarnih ili imaginarnih objekata. Način na koji se doživljavaju ti modeli odraz je kvalitete i kvantitete elektromagnetskog zračenja i refleksije tog zračenja na tvarima prisutnima u prirodi. Prikazivanje takvih modela zahtijeva prikladan način modeliranja, odnosno precizno opisivanje složenih tvari i svjetlosti.  Sastavnice koje opisuju svojstva modela, definirane su složenim algoritmima i implementirane su u programima za računalno modeliranje. Kompleksnost i trendovi razvitka računalne grafike uvjetuju dobro definirane standarde kojima se usklađuje programska podrška, proizvod modeliranja i prenosivost stručnih znanja i vještina.

Razvoj računalne grafike

Razvoj računalne grafike započinje 1960. godine od strane Williama Fettera, glavnog grafičkog dizajnera Boeing Aircraft-a. Osmislio je grafički računalni prikaz čovjeka u sjedećem položaju sa svrhom optimizacije unutrašnjosti aviona.  Sedamdesetih godina prošlog stoljeća računala su bila sposobna crtati jednostavne i složene objekte, ali samo u dvije dimenzije što nije zadovoljavalo kriterijima tržišta. Osamdesetih godina započinje razvoj i primjena 3D grafike potaknuta grafičkim sučeljem Amiga i Machintosh računala. Prva 3D animacija prikazana javnosti izlazi iz animacijskog studija Pixar 1984. godine na čijem je vrhu bio Steve Jobs. Razvojem hardvera koji je mogao podržati veće rezolucije i naprednije tehnike prikaza, razvijaju se i specijalizirani 3D programi za modeliranje. Takvi programi omogućuju stručnjacima kreiranje, manipulaciju i korištenje 3D modela isto kao i prenosivost 3D modela iz jednog programa u drugi slične primjene.
Proces kreiranja 3D računalnih grafika se može redoslijedom podijeliti na tri osnovne faze:  3D modeliranje, animiranje i renderiranje.
3D modeliranje opisuje proces formiranja 3D modela, animiranje definira kretanje i položaj objekata unutar scene, dok renderiranje predstavlja niz algoritama koji pretvaraju 3D model u 2D sliku.
Pojavom 3D printera, 1986. godine, virtualni 3D modeli prestaju biti dio ograničenog zatvorenog sustava, te svoju primjenu dobivaju u širokom spektru gospodarskih djelatnosti.

Područja primjene

Arhitektura

Industrija arhitektonskog dizajna danas se na globalnom tržištu očituje kao izrazito kompetitivna. Zbog toga se većina arhitektonskih tvrtki služi 3D grafikom u vidu modeliranja i vizualizacije. Arhitektonska vizualizacija je proces kreiranja preciznog prikaza planiranog okruženja prije početka fizičke izgradnje. Neke usluge vizualizacije mogu se odnositi na 3D šetnje prostorom, planiranje gradske infrastrukture te restauraciju povijesnih arhitektura. 
Arhitektonsko 3D modeliranje koristi se za razvoj matematičkog i slikovnog prikaza željenog objekta. Neke od potreba za 3D grafikom u arhitektonskoj domeni su: vizualizacija dizajna građevina, 3D renderiranje i animiranje, te prikaz objekata interijera i eksterijera. Kako bi se te potrebe ostvarile programski alati trebaju ispuniti određene zahtjeve. Zahtjevi prema suvremenim alatima su fleksibilnost i preciznost, te efikasno kreiranje i modifikacija 3D modela. Danas je 3D modeliranje u pravilu početni korak svakog arhitektonskog projekta.
Za kreiranje modela, arhitekti se služe alatima koji pripadaju skupini CAD (eng. Computer Aided Design)., a neki od poznatijih su: AutoCAD, MicroStation ADT, Inventor, Solid Edge, Solid Works te MS Visio.

Film i vizualni efekti

Mnogi dugometražni visokobudžetni filmovi danas obiluju digitalnom animacijom u vidu vizualnih efekata. Vizualni efekti (Visual F/X ili VFX) su procesi pomoću kojih se stvara vizualni sadržaj. U pravilu se odnose na manipulaciju animacije ili druge vrste videa te predstavljaju integraciju snimljenih scena i računalne grafike. Koriste se u visokobudžetnim filmovima ali sve češće i u amaterskim proizvodima zbog pristupačnosti i jednostavnosti softvera. Neki od vizualnih efekata u vidu 3D-a su modeliranje objekata, virtualno osvjetljenje, animiranje pokreta, simulacija čestica, digitalne pozadine i sl.
Na tržištu se danas nudi velik broj alata za postprodukciju i vizualne efekte kao što su Adobe After Effects, VisionLab Studio, Combustion 2008, Toxik 2009 i sl.
Vizualni efekti poboljšavaju cjelokupni dojam vizualnog sadržaja. Zbog zahtjeva za realizmom specijalnih efekata, razvijaju se i nude brojni 3D alati za vjerniji prikaz realnog svijeta. Neki od poznatijih alata iz 3D skupine su: Maya, 3D Studio Max, Lightwave, Cinema 4D i dr.

Računalne igre

Računalne igre predstavljaju inovativno područje razvoja naprednih tehnologija grafike. Igre postaju izuzetno kompleksne s visokim standardima u vidu 3D grafike, simuliranih fizičkih procesa i fotorealističnog okruženja.
Računalne igre rade uz pomoć pogona (game engine). Pogon igre je softverska podrška koja objedinjuje grafičke, zvučne i druge multimedijske elemente. Na pogon se modularno nadovezuje logika same igre. Alati za razvoj 3D računalnih igara u pravilu su višestruko kompatibilni s pogonom igre kako bi se ostvarila efikasnija razmjena informacija između programerskog i dizajnerskog tima. Kompatibilnost se očituje kroz dijeljenje 3D modela, osvjetljenje, animaciju 3D likova i sl.
Zahtjevi 3D alata često su orijentirani na fotorealizam, pa većina modernih programskih paketa nude bogatu kolekciju naprednih fukncija, od osvjetljenja do animacije pokreta. Osim kompatibilnosti s pogonom igre, za 3D alate je potrebna i kompatibilnost s drugom različitom hardverskom i softverskom podrškom, što se postiže putem plugin-ova. Najpoznatiji alati za razvoj računalnih igara su 3D Studio Max, Softimage, Grome, te Maya.
Grafika u računalnim igrama prikazuje se u realnom vremenu. Vizualni sadržaj je ograničen, pa kvaliteta grafike video igara nije ekvivalentna filmskoj. Alati za razvoj računalnih igara teže k eliminaciji ograničenja korištenjem različitih funkcija koje smanjuju hardversko opterećenje, a pritom pružaju rezultate zadovoljavajuće kvalitete.

Zahtjevi prema 3D programskim alatima

Specijalizirani programski alati razvijaju se sukladno područjima primjene 3D računalne grafike. Omogućuju ekspertu korektan prikaz objekta u 3D prostoru. Podržavaju proces izgradnje 3D modela i mogućnost pretvaranja modela u kompatibilne formate za razmjenu s drugim aplikacijama.
Zbog naglog širenja područja primjene i sveukupnog razvoja 3D grafike definiraju se grafički standardi. Pojam standarda odnosi se na pisanu specifikaciju koja je slobodno dostupna u cijelosti. Prvi međunarodni standard za računalnu grafiku specificiran je 1985. godine pod nazivom GKS (Graphical Kernel System). GKS sadrži metode za 2D grafiku neovisnu o uređajima i rezoluciji. Temeljni koncept u GKS standardu je segment koji predstavlja grupirane logički povezane primitivne oblike. Ograničenje ovog standarda je u tome što ne omogućava transformaciju i interakciju između segmenata.
1989. definiran je novi standard PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System) koji omogućuje interakciju između dva ili više objekata. Temeljni koncept je struktura koja predstavlja ugniježđenu hijerarhijsku grupu 3D primitivnih oblika.
Standard podupire dinamiku između segmenata kao što je pomak, rotiranje i promjena veličine objekta. Zbog zahtjeva tržišta standard se proširuje i omogućuje nove metode 3D grafike uključujući zakrivljene površine, poboljšanu kvalitetu boje te simulaciju jednostavnih zakona optike za osvjetljavanje i sjenčanje objekata. Godine 1992. stvoren je OpenGL (Open Graphic Language) koji predstavlja primarno okruženje za razvoj interaktivnih 2D i 3D grafičkih aplikacija. Neovisan je o hardveru i operacijskom sustavu zbog implementacije na različitim platformama.
Iste godine, definiran je referentni model računalne grafike CGRM (Computer Graphics Reference Model). Standard je osmišljen zbog usporedbe različitih sustava gdje je važno raspolagati općenitim referentnim modelima računalne grafike. Prema CGRM grafički sustav je podijeljen na pet jedinica koje se nazivaju okolinama i to prema slici 1: konstrukcijska okolina (Construction Environment), virtualna okolina (Virtual Environment), prostor promatranja (Viewing Environment), logička okolina (Logical Environment) i realizacijska okolina (Realisation Environment).

Konstrukcijska okolina sadrži grafički model definiran u terminima i jedinicama aplikacije. Operacija kreiranja modela naziva se priprema.
Virtualna okolina sadrži grafičku scenu koju sačinjavaju transformacije modela iz konstrukcijske okoline. Operacija transformacije modela u grafičku scenu naziva se produkcija.
Prostor promatranja sadrži idealnu sliku na temelju definiranog smjera i točke promatranja. Operacija transformacije grafičke scene u idealnu sliku naziva se projekcija.
Logička okolina sadrži idealnu sliku i uzima u obzir osnovna svojstva uređaja za prikazivanje poput minimalne širine crta i broja raspoloživih boja. Operacija transformacije iz idealne slike u realnu sliku naziva se dovršavanje.
Realizacijska okolina sadrži krajnji prikaz potpuno prilagođen uređaju za prikazivanje. Operacija transformacije slike u prikaz  prilagođen zaslonu naziva se prezentacija.

b

Slika 1: CGRM model računalne grafike

Konstrukcijska okolina je najbliža aplikaciji dok je realizacijska okolina najbliža korisniku. Svaka pojedina okolina je definirana svojim ulazom, izlazom i unutarnjem stanjem. Komunikacija je moguća samo sa susjednim okolinama. Pored niza transformacija u smjeru od aplikacije do korisnika, okoline obavljaju i niz transformacija u obrnutom smjeru: od korisnika do aplikacije. Slijed operacija kojima se transformira korisničko djelovanje u oblik prilagođen razini aplikacije je slijedeći: akumulacija, apstrakcija, elevacija, generiranje i primjena. Odnos među pojedinim komponentama CGRM modela je prikazan slikom 2.

g

Slika 2: Odnos među komponentama CGRM

Karakteristike programskih alata

Skupina alata koja se u pravilu najčešće koristi za 3D računalno modeliranje naziva se CAD (Computer-Aided Design). CAD alati osmišljeni su za oblikovanje virtualnih objekta. Konačni proizvodi CAD alata, osim samog objekta, često uključuju i dodatne informacije o materijalima, dimenzijama, izvoru svijetla i sl. Ovi alati se mogu koristiti za oblikovanje dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih modela. CAD alati svoju primjenu nalaze u mnogim područjima, od filmske industrije i specijalnih efekata do arhitekture.
Sukladno modernim zahtjevima, programski alati često podržavaju različite načine modeliranja i oblikovanja objekta. Neke od poznatijih metoda za reprezentaciju modela su: 2D vektori, 3D površine i krivulje, poligoni, te oblikovanje uz pomoć matematičkih izraza (eng. CADD – computer-aided design and drafting).
U početku, CAD alati bazirali su se na programskoj podršci jezika Fortran, no pojavom objektno-orijentiranog programiranja, počinje se koristiti programski jezik C te svi  njegovi kompatibilni moduli i API funkcije.
Središte CAD-a predstavlja jezgra geometrijskog modeliranja (eng. geometric modeling kernel) koja omogućava interakciju korisnika i objekta preko grafičkog sučelja. Također, većina CAD alata posjeduje pogon geometrijskih ograničenja kako bi se lakše upravljalo odnosima između elemenata pripadne geometrije.
CAD alati smatraju se multiplatformskim alatima zbog kompatibilnosti s operacijskim sustavima poput Windows-a, Linux-a, MAC OS-a te UNIX-a te u pravilu ne zahtijevaju određenu hardversku podršku. No, s obzirom na to da se radi o kompleksnim alatima, preporuča se korištenje višejezgrenih procesora te velike količine radne memorije kako bi se procesi izvršavali u kraćem vremenskom roku.
Korisničkom sučelju moguće je pristupiti korištenjem miša, tipkovnice, digitalne olovke ili tableta. Neki sustavi također omogućavaju korištenje stereoskopskih naočala za pregled 3D modela.
Jedan od najpoznatijih predstavnika CAD skupine je AutoCAD. AutoCAD je alat koji se primjenjuje u 2D i 3D modeliranju. Danas podržava širok spektar API funkcija za automatizaciju rada i povećanje funkcionalnosti. AutoCAD koristi različite C++ biblioteke klasa te je kompatibilan s .Net-om, Visual LISP-om, Object ARX-om i dr. AutoCAD također podrazumijeva različite inačice specijalizirane za određena područja primjene poput: AutoCAD Architecture, Electrical, Civil3D i dr. Osnovni entiteti AutoCAD-a su linije, polilinije, krugovi, lukovi i tekst, a koriste se za izgradnju kompleksnijih modela.
AutoCAD na tržište lansira dva podatkovna formata (DWG i DXF) koji se danas smatraju industrijskim standardima za razmjenu CAD podataka između različitih aplikacija. Autodesk-ov format – DWF, ima tendenciju razvoja u industrijski standard.
Osim AutoCAD-a, u CAD skupinu spada izrazito velik broj alata. Neki od poznatijih su: 3D Studio Max, Cinema 4D, Rhinoceros 3D, Microstation, VectorWorks, SolidWorks, Inventor, SketchUp, ArchiCAD i dr.

Karakteristike 3D proizvoda

Suvremeni 3D alati pružaju mogućnost kreiranja različitih produkata ili proizvoda. Pod terminom proizvod, moguće je promatrati različite aspekte kao što su statična slika, animacija ili video, fizički ispis 3D modela, interaktivna 3D aplikacija i sl.
Ukoliko je konačni produkt 3D alata statična slika, potrebno je voditi računa o njezinoj rezoluciji (pixel), razlučivosti (dpi), dubini boje, formatu, kompresiji i dr. Prikaz 3D scene u određenom 3D alatu moguće je pretvoriti u 2D statičnu sliku uz pomoć tzv. pogona za iscrtavanje (eng. rendering engine).

Renderiranje je proces generiranja slike iz 3D modela korištenjem određenog računalnog alata. Model je u pravilu opis trodimenzionalnog objekta u striktno definiranom programskom jeziku ili strukturi podataka. Takav opis sadrži podatke o geometriji, ali i o teksturama, materijalima, osvjetljenju i dr. Aplikacije za renderiranje pružaju različite mogućnosti prikaza objekta, od širokog spektra izvora svijetla do pridruživanja specifičnih materijala modelima.
Renderiranje se najčešće koristi u arhitekturi, video igrama, simulacijama, filmovima i specijalnim efektima. Aplikacije za renderiranje mogu biti ugrađene u sam 3D alat ili samostojeće te kompatibilne s matičnom aplikacijom preko plugin-a. Takve aplikacije implementiraju i objedinjuju različite discipline poput: fizike svijetla, vizualne percepcije, matematike i dr.
Proces se može izvršavati u realnom vremenu ili predprocesno. Predprocesno renderiranje predstavlja hardverski zahtjevan zadatak koji u pravilu pruža kvalitetnije rezultate od renderiranja u realnom vremenu. Također, takvo je renderiranje vremenski dugotrajan proces, a koristi se za fotorealistične produkte u filmskoj industriji. Renderiranje u realnom vremenu oslanja se na akceleraciju grafičkih kartica te je najzastupljenije u video igrama.
Ukoliko se radi o animaciji kao produktu 3D alata, tada treba voditi računa o elementima poput: frame rate-a (broj sličica po sekundi), kompresiji videa, rezoluciji, korištenom kodeku i formatu, video standardu (PAL ili NTSC), mediju za prikazivanje i sl.
3D ispis kao mogući produkt 3D alata predstavlja fizički objekt kreiran po uzoru na virtualni model povezivanjem slojeva specifičnog materijala. 3D pisači omogućavaju korisnicima ispis pojedinih dijelova 3D modela korištenjem različitih materijala te njihovo naknadno sastavljanje u cjelinu. 3D ispis u pravilu se koristi za realističan prikaz prototipa objekta iz stvarnog svijeta. Neke od metoda 3D ispisa su: inkjet print, fused deposition modeling (FDM), selective laser sintering (SLS) i direct metal laser sintering (DMLS). 

Zaključak

Pojava 3D grafike označila je prekretnicu u poimanju vizualizacije. Razvojem tehnologije koja omogućava manipulaciju računalne grafike, korisnicima se olakšava i optimizira rad. Računalna grafika je sadržana u širokom spektru područja primjene te je prisutna u svakodnevnoj upotrebi. Dostupnost i brzina razvoja tehnologije i aplikativne podrške utječe na stvaranje standarda za kreiranje 2D i 3D okruženja. Standardi se dopunjuju i mijenjaju ovisno o tržišnim zahtjevima. Sadrže karakteristike i načine rada grafičkih alata te korisnicima navode tražene sposobnosti i potrebna znanja. Široka područja primjene utječu na specijaliziranost pojedinih alata za pojedino područje.
Kratka analiza programskih alata u ovisnosti o području primjene, pokazuje da postoje programski alati koji su doista specijalizirani samo za usko područje primjene, ali i da ima određeni broj univerzalnih snažnih i multidisciplinarnih alata koji se mogu koristiti gotovo za svaki proces modeliranja. Zbog njihove kompleksnosti često puta se ipak koriste manje složeni programski paketi, koji su u mogućnosti ispuniti većinu zahtjeva.
Poveznica između alata su standardizirani formati finalnog proizvoda, čime je omogućena tranzicija 2D i 3D objekta. Ta analiza pokazuje da navedeni programski paketi mogu ostvariti međusobnu kompatibilnost, pa se na taj način ostavlja korisniku mogućnost da bira programski alata u ovisnosti o potrebama, ali i o razini vlastite osposobljenosti.
Smanjeno je njihovo vrijeme obrade i kvalitetan model je moguće višestruko koristiti na različitim područjima primjene, te se na taj način javlja mogućnost standardizacije postupaka. Računalna grafika je suvremeni trend dugoročnog karaktera i nezaobilazan je segment u vidu ljudskog djelovanja.

Literatura

  1. ArticlesBase, What is Architectural Visualization & 3D modeling?, dostupno na: http://www.articlesbase.com/art-and-entertainment-articles/what-is-architectural-visualization-3d-modeling-1338473.html, 2009.
  2. ArticlesBase, What is Architectural Visualization?, dostupno na: http://www.articlesbase.com/business-articles/what-is-architectural-visualization-1777470.html, 2010.
  3. Brown D. C., Intelligent computer-aided design, dostupno na: http://web.cs.wpi.edu/~dcb/Papers/EofCSandT.html, 1993.
  4. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Oblikovanje pomoću računala, dostupno na: www.cadlab.fsb.hr/download/skripte/43.pps
  5. Matković K., Vizualizacija - uvod, dostupno na: www.fer.hr/_download/repository/VO-P09_Vizualizacija_uvod.pdf, 2009.
  6. Nelson T., Architectural Modeling- Unique Identification Of Architects, dostupno na: http://www.articlesnatch.com/Article/Architectural-Modeling--Unique-Identification-Of-Architects/939408
  7. Pletenac L., Računalno geometrijsko modeliranje, dostupno na: http://www.gradri.hr/~pletenac/modeliranje-sazetak.htm
  8. Shklyar D., 3D Rendering History, dostupno na: http://features.cgsociety.org/story_custom.php?story_id=1647&page
  9. Tulika M., Tzi-cker C., Three-dimensional computer graphics architecture, dostupno na: http ://www.ias.ac.in/currsci/apr102000/surveys2.pdf, 2000.

 

 

 

Patrik Ervells latest collection is ironically titled “Software”ADIDAS ORIGINALS TUBULAR SHADOW. In the notes from the presentation, Ervell says he was interested in developing tension between nostalgia and sci-fi,NIKE ZOOM WINFLO 3 and even included 90s cyberpunk amongst his influences. Ervell developed this point of view by creating an imaginary software company called Idegen software systems. He then re-appropriated the company’AIR JORDAN XXXI MENs logo in several of the collection’s garments. Elsewhere,MBT TARIKI MEN mohair coats with oversized lapels made an appearance alongside mock neck tees,NIKE AIR JORDAN RETRO 5 police-inspired ribbed sweaters,MBT FORA GTX WOMEN flight bombers, and polyurethane leather coats. The setting was also suitably dystopian, and the resulting ambiance was something akin to if the creators of Deutschland 83 and Hackers met up and decided to create a collection… We mean that as a compliment.Yesterday afternoon,JORDAN CP3 IX MEN artist JR spent the day working on his latest collaborative piece with Daniel Arsham in Greenpoint,NIKE AIR MAX 90 Brooklyn,MBT KIMONDO GTX MEN NYC. Connecting the lines between art, architecture, dance and theater, Daniel Arsham has been known to subvert existing architectural structures in unconventional,NIKE CLASSIC CORTEZ NYLON playful ways; confusing and confounding the expectations of space and form. Source: Street Art News .