Тема 1. Огляд програми векторної графіки ArchiCAD

3D-графіка призначена для імітації фотографування або відео зйомки тривимірних образів об’єктів, які попередньо створюються в пам’яті комп’ютера в такій послідовності: попередня підготовка, створення геометричної моделі сцени, настроювання освітлення і знімальних камер, підготовка і призначення матеріалів, візуалізація сцени. Таким чином створюється уявний світ, який часто називають віртуальним.

Попередня підготовка передбачає продумування складу сцени, розміщення об’єктів і їх деталей, які будуть видимими з передбачуваних напрямів спостереження.

На етапі створення геометричної моделі сцени за допомогою різноманітних інструментальних засобів будуються тривимірні геометричні моделі об’єктів сцени, після чого сцену можна розглядати і “фотографувати” з будь-якого потрібного ракурсу.

Правильний вибір джерел світла дозволяє виконувати імітацію фотографування сцени в будь-яких умовах освітленості, причому освітленість всіх об’єктів, тіні від них і бліки світла розраховуються автоматично. Моделі знімальних камер дають можливість розглядати тривимірну сцену і виконувати її знімання під будь-яким вибраним кутом зору.

На етапі підготовки і призначення матеріалів забезпечується надання сцені візуальної правдоподібності, що наближує якість зображення до реальної фотографії. Працюючи з матеріалами, можна настроювати такі їх якості, як сила блиску, прозорість, самосвічення, дзеркальність, рельєфність та інші. Реальні фотографії можна включати в склад матеріалів або використовувати для імітації фону.

Візуалізація сцени або рендерінг (rendering) полягає в проведенні програмою розрахунків і нанесення на зображення всіх тіней, бліків, взаємних відблисків об’єктів і т. п. і може тривати досить довго, що залежить від складності сцени і швидкодії комп’ютера.

До недоліків тривимірної графіки слід віднести:

· підвищені вимоги до апаратної частини і пам’яті комп’ютера;

· необхідність проведення великої підготовчої роботи по створенню моделей всіх об’єктів сцени і призначення їм матеріалів;

· меншу, ніж в двовимірній графіці, свободу в формуванні зображень;

· необхідність контролю за взаємним положенням об’єктів в складі сцени;

· неправдоподібну ідеальність результатів візуалізації.

В тривимірній графіці оболонки об’єктів, незалежно від їх форми, складаються з трикутникових граней, що утворюють сітку. Кожна грань має три вершини і три ребра. Суміжні грані, що лежать в одній площині, утворюють багатокутник, або полігон, тому сітку часто називають полігональною. Ребра між гранями, які не лежать в одній площині, зображують на сітці суцільними лініями, а між гранями, які лежать в одній площині – пунктиром. Нормаль (перпендикуляр до поверхні грані) дозволяє визначити, чи буде дана грань видимою. Видимими вважаються тільки ті грані, нормалі яких направлені в бік спостерігача. Кожна грань задається координатами своїх вершин (Х,Y,Z).

Кожний об’єкт розміщується в так званому габаритному контейнері, який являє собою прямокутний паралелепіпед, описаний навкруги об’єкту. В момент створення об’єкту сторони габаритного контейнера орієнтуються паралельно координатним плоскостям глобальної системи координат, а при повертаннях об’єкту разом з ним повертається і його габаритний контейнер. Габаритні контейнери дозволяють програмі швидко визначати, чи закривають об’єкти один одного при спостеріганні сцени з певного напряму. Вони використовуються при підгонці розміру об’єкту під розмір вікна, визначають геометричний центр об’єктів складної форми (центр габаритного контейнера), дозволяють відобразити об’єкти в вигляді габаритного контейнера.

Використовуючи контролери анімації, програми тривимірної графіки здатні автоматично створювати анімаційні послідовності кадрів з врахуванням взаємного затінення, зміни освітленості, відбиття і перевідбиття світла, рівномірного або прискореного руху і т. п.

В 3D-графіці використовується два види проекцій: паралельні (аксонометричні) і центральні (перспективні). При побудові аксонометричної проекції тривимірного об’єкту його окремі точки зносяться на площину проекції паралельним пучком променів, а при побудові центральної проекції – пучком променів, що виходять з одної точки, яка відповідає положенню ока спостерігача. Окремим випадком аксонометричних проекцій є ортографічні проекції, коли площина проекції вирівнюється паралельно одній з координатних площин тривимірного простору (вид зверху, знизу, спереду, ззаду, справа і зліва).

Всі об’єкти сцени розміщуються в глобальній системі координат (Х,Y,Z) з початком в точці (0,0,0). Умовно вважають, що в віртуальному тривимірному просторі цієї системи вісь Z відповідає поняттю висоти, вісь Х - ширини, а вісь Y – довжини або глибини сцени. Площинами, на які зображуються проекції об’єктів сцени, по замовчуванню є три площини, що проходять через осі глобальної системи координат: ZX (вид спереду, вид ззаду), XY (вид зверху, вид знизу), ZY (вид зліва, вид справа).

Локальна система координат призначається кожному об’єкту і визначає поняття “верх”, “ліво”, “право” для цього об’єкту. Початок її розміщується в опорній точці об’єкту, яка для деяких об’єктів міститься в геометричних центрах їх габаритних контейнерів, а для інших - в центрі основи. Осі локальних координат об’єкту вирівнюються паралельно бокам його габаритного контейнера. При повертанні або переміщенні об’єкту його локальна система координат повертається і переміщується разом з ним, причому, наприклад, напрямом “вверх” для нього завжди залишається напрям осі Z локальної системи координат.

Для визначення яскравості і кольору кожної точки поверхні об’єктів в тривимірній графіці використовуються різноманітні типи алгоритмів тонованого зафарбовування сітчастих оболонок (постійне, за Фонгом, за Блінном, металічне та інші). При постійному зафарбовуванні кожна грань оболонки об’єкту зображується як плоска площадка, яскравість якої залежить від орієнтації нормалі грані по відношенню до напряму променів світла і напряму погляду спостерігача. Так як оболонки тривимірних об’єктів розбиті на трикутникові грані штучно, необхідно вживати заходів щодо забезпечування згладжуваності ребер між гранями. Наприклад, при зафарбовуванні за Фонгом згладжуваність досягається за рахунок того, що орієнтація нормалі в кожній точці плоскої грані вважається змінною і розраховується як проміжна між початковими орієнтаціями нормалі даної грані і трьох сусідніх.