גרפיקת תלת-ממד

תהליך יצירת תמונה

עבודה בגרפיקה תלת-ממדית היא תהליך ארוך הדורש מספר תהליכי עבודה הדרגתיים טרם מגיעים לתוצאה סופית. עבודה תלת-ממדית יכולה לכלול סביבות, דמויות, חפצים, הדמויות ועוד. תהליך העבודה תלוי בסוג העבודה והמטרה לשמה נעשה.

תהליך העבודה האופקי

תמונה בגרפיקת תלת-ממד נוצרת בתהליך ארוך ומורכב שעשוי לדרוש זמן רב הן מהאמן והן זמן מחשב: ראשית, על האומן להגדיר אובייקטים תלת-ממדים ולמקם אותם במערכת צירים; שנית, יש להגדיר את החומרים מהם עשויים האובייקטים; שלישית, יש להגדיר את מקורות האור; לסיום, על האומן להגדיר את מקום המצלמה.
באופן אופקי ניתן להגיד שתהליך העבודה מתחיל מעבודת קונספט בו מעוצבת הסצנה בדו-ממד (בציור רגיל או ציור דיגיטלי בפוטושופ יחד עם תוכנות דו-ממד נוספות). מעצבי קונספט אינם עוסקים באומנות תלת-ממד בהכרח, אבל תפקידם בין השאר הוא עיצוב סצנות אותם יעצבו אומני התלת-ממד (למשל לסרט אנימציה, משחק מחשב, אובייקט תלת-ממדי). עבודת הקונספט משמשת כרפרנס, ואומן התלת "מעתיק" את עבודת הקונספט תוך התחשבות בהיגיון הפנימי של האובייקט - התחשבות באנטומיה במקרה של גוף חי או בתהליך ההרכבה של החפץ כדי ליצור אובייקט משכנע כמה שיותר.
תהליך בניית המודל בתלת-ממד נקראת מידול. המידול משתמש בצורות ראשוניות פשוטות שאלה מעוצבת לצורה הכללית והבסיסית של האובייקט. המידול הראשוני נקרא פרוקסי. האובייקט מעוצב במלאו ולא חלק ממנו אבל רק באופן כללי בלי פירוט, אחרי שתהליך הפרוקסי מסתיים יש למקבלי ההחלטות יכולת להעריך כיצד הדברים נראים, והם ויכולים להעיר הערות לשיפור המודל, שבשל רמת הפירוט הנמוכה קל מאוד לשנותה. בשלבים מאוחרים יתר תהליך שנוי כזה מסובך בהרבה ופוגע בנראות האובייקט.
לאחר סיום הפרוקסי נעשה תהליך שבו נעשה מידול מדוקדק יותר של ירדה לפרטים ובנראות של כל אחד ואחד מהפרטים שמרכבים אותו, כשהמידול מסתיים האובייקט עובר תהליך של פרישת UV, תהליך שבו האובייקט נחתך ונפרש לתמונה דו-ממדית כדי להלביש עליו מרקמים. להדמיות, ובעיצוב סביבה במיוחד, יש חשיבות רבה מאוד לתאורה ולקומפוזיצית הצילום של הסצנה. אחרי עיצוב הסביבה ברמת התאורה והצילום ופרישת UV מתחיל תהליך החומרים. בתוכנות התלת-ממד השונות יש מערכת של בחירות והגדרות בהם נעשים חשובים פיזיקליים שונים של צפיפות, החזר אור ועוד, שנותן מרקמים ומראה לחומרים שונים כמו פלסטיק, ברזל, מתכת, זכוכית. בעיצוב הסביבות או חפצים כמו עיצוב חדר או הדמיה אדריכלית נעשית עבודה של הגדרת חומרים בסביבה בהתאם לחזון העיצובי. הגדרות החומרים משתנים בהתאם לתכונות של הסביבה.
בעיצוב דמות התהליך מעט שונה, התאורה והחמורים משתנים בהתאם לרמת הפירוט או הריאליזם של הדמות, לאחר השלמת מידול הדמות היא לרוב מועברת לתהליך הנפשה. כדי להניע את הדמות באופן אמין מבוצע תהליך של החדרת עצמות לדמות שנקרא ריגינג. הריגר מלביש ומחבר בתוך הדמות עצמות אותם האנימטור יניע בתהליך ההנפשה ככל שהפרויקט מושקע ומופרט יותר ככה תהליך הריג יהיה מפורט ואיכותי יותר וניתן יהיה להניע כמה שיותר חלקים מגופה של הדמות.

הגדרת האובייקטים

המידול מתחיל בצורה פשוטה כמו צלינדר, ספרה או קופסה, הצורה הפשוטה מחלוקת לאג'ים, קווים החוצים באופן אופקי ורוחבי את האובייקט, האג'ים פרושים כשתי וערב ויוצרים ריבועים, בכל פינה של מפגש הקווים יש קודקוד. האובייקט מחלוק לריבועים כשכל ריבוע נקרא פוליגון. בתוכנת תלת-ממד האובייקט נמצא על מערכת צירים (העולם) וניתן להזיז כל קודקוד, ישר או מצולע וכך לעצב את האובייקט לפי הצורה המתבקשת. ניתן להזיז להרחיב ולכווץ או לסבוב לפי הצורך. לכל תוכנה יש מבחר של כלי מידול שונים.
אחרי עיצוב הנפחים הראשוניים נעשה תהליך שנקרא טופולוגיה. טופולוגיה הוא הדרך שבה הפוליגונים נפרשים על גבי המודל. הטופולגיה חיונית לעיצוב הצורה של האובייקט וחיונית לתהליך הריג וההנפשה.
תהליך הגדרת האובייקטים מכונה מידול. האובייקטים מוגדרים במערכת צירים קרטזית תלת-ממדית. נקודה בודדה מוגדרת על ידי וקטור בן שלושה מספרים המציין את מיקום הנקודה יחסית לשלושת הצירים. פאון (כגון קובייה או פירמידה) מיוצג על ידי רשימת הקודקודים שלו כנקודות במרחב, ולכל פאה שלו רשימת הקודקודים שמשתתפים בפאה.
גופים חלקים כגון כדור או פנים של אדם אפשר לייצג בצורה מקורבת על ידי פאון עם אלפי פאות. קיימות גם שיטות מתקדמות יותר. פאה היא למעשה חלק ממישור שאותו מייצגים בגאומטריה אנליטית בעזרת משוואות ממעלה ראשונה. אפשר לייצג משטחים עקומים על ידי משוואות ממעלה גבוהה יותר וקיימות טכניקות מידול המתבססות על כך.

הגדרת החומרים

בגרפיקת תלת-ממד "חומר" הוא מונח המתאר אוסף גדול של הגדרות הקובעות כיצד אובייקט מגיב לאור. הגדרות אלה קובעות מהו צבע האובייקט, האם החומר מבריק, האם משתקפות בו בבואות של האובייקטים מסביבו, האם הוא שקוף, האם האור שעובר בו נשבר ועוד.

מקורות האור

גם עין אנושית וגם מצלמה קולטות קרני אור. קרני האור הללו חייבות להגיע ממקור כלשהו. בהיעדר מקור אור מתקבלת תמונה שחורה לחלוטין.
בגרפיקת תלת-ממד האומן יכול להגדיר מקורות אור ממספר סוגים ולמקם אותם במרחב. מקור אור נקודתי הוא נקודה במרחב ממנה יוצאות קרני אור לכל הכיוונים או לכיוונים מוגדרים. מקור אור כזה מחקה בקירוב נורות קטנות. סוג אחר הוא מקור אור מקבילי, המדמה את אור השמש. במקור אור זה המרחב כולו מכוסה בקרני אור מקבילות המגיעות ממרחק אינסופי.
בנוסף לקביעת מיקום מקור האור והסוג שלו אפשר לקבוע כמובן את עוצמתו ואת צבעו. מקור אור לבן יוצר מראה רגיל, מכיוון שהצבע הלבן מכיל בתוכו את כל שאר הצבעים. כל צבע אור אחר יגרום להטיית צבעי האובייקטים המוצגים בתמונה.

מיקום המצלמה

המונח מצלמה בגרפיקת תלת-ממד מציין עבור המחשב את הנקודה במרחב ממנה אנו רוצים לצפות בסצנה. בנוסף למיקום יש להגדיר גם את כיוון ההסתכלות ותכונות נוספות המחקות מצלמה אמיתית: אורך מוקד העדשה, עומק השדה, מפתח העדשה ועוד.

גרפיקת תלת-ממד בקולנוע ובטלוויזיה

שימוש בגרפיקה תלת-ממדית באנימציה מכונה אנימציה ממוחשבת.
החל משנות התשעים של המאה ה-20, האנימציה הממוחשבת הפכה לנפוצה ביותר בתעשיית הקולנוע והטלוויזיה. עד אז, בסרטי פנטזיה ומדע בדיוני מצולמים היה נהוג להשתמש בבובות כדי להציג דמויות או מבנים דמיוניים. כך למשל בטרילוגית סרטי מלחמת הכוכבים שסרטה הראשון יצא בשנת 1977, אחת מדמויות המשנה הנה יודה שהוצגה על ידי בובה ולכן בכל הסצנות היא מקובעת למשטח מאחוריו הסתתר המפעיל. בטרילוגיית ההמשך שהחלה בשנת 1999 אותה דמות נעשתה כולה באנימציה ממוחשבת, שאפשרה להציג אותה בצורה חיה וחופשית יותר.
סרט האנימציה הממוחשבת המלא הראשון היה צעצוע של סיפור שיצא בשנת 1995.

גרפיקת תלת-ממד במשחקי מחשב

הגרפיקה התלת-ממדית הייתה אחת ההתפתחויות החשובות ביותר בתעשיית משחקי המחשב ומשחקי הקונסולה. במשחקים הדו-ממדיים יכולת השחקן הייתה מוגבלת ולכן התנועה במשחק התאפשרה בשמונה כיוונים עיקריים: למעלה, למטה, ימינה, שמאלה והאלכסונים שביניהם. מאחר שהתנועה הייתה במישור, קשה מאוד היה ליצור במשחק תחושה מציאותית של עומק. כאשר פותחו מנועי התלת-ממד הפכו המשחקים למציאותיים יותר ולכן התנועה הפכה אפשרית בכל 26 הכיוונים האפשריים (כגון משחק המחשב דיסנט).
נקודות ציון חשובות בתחום משחקי הווידאו התלת-ממדיים נרשמו כאשר יצא לשוק מכונות המשחק (Arcade Machines) משחק המירוצים Viruta Racing ומשחק המכות Virtua Fighter, שניהם של חברת Sega ושניהם הושקו ב-1993. שני כותרים אלו יצרו למעשה ז'אנרים חדשים (משחקי מרוץ בתלת-ממד ומשחקי קרבות בתלת-ממד, בהתאמה) ופרצו את הדרך לז'אנרים נוספים, שלקחו ז'אנרים מוכרים (למשל, משחקי כדורגל) וחידשו אותם באמצעות גרפיקה תלת-ממדית והאפשריות החדשות שגרפיקה שכזו מאפשרת. התרומה של טכנולוגיית הגרפיקה התלת-ממדית השתרעה מעבר לתרומה אסתטית; מפתחי המשחקים השתמשו ביכולות החדשות שטכנולוגיה זו מציעה כדי להעמיק את חווית הריאליזם ואת המשחקיות עצמה. למשל, המשחק Virtua Figher איפשר לשחקן ששרוע על הרצפה להתגלגל לצדדים כדי להתחמק מתקיפות היריב שלו. אפשרות שכזו לא הייתה קיימת קודם לכן במשחקי קרבות דו-ממדיים. שני משחקים מהפכניים אלו יצרו או לפחות השפיעו במידה רבה מאוד על הטרנד של מעבר מרבית משחקי הווידאו לשימוש בגרפיקה תלת-ממדית. בהתאם, דור הקונסולות שהושק זמן קצר לאחר מכן (עם Sega Saturn ו-Sony Playstation בשנת 1994) התאפיין בשינוי דרמטי זה.
כדי להמחיש את גודל השינוי ניתן להשוות בין השינויים שחלו בכותרים של הסדרה Super Mario Bros בקונסולות השונות של Nintendo. ניתן להבחין בהבדלים גרפיים ומשחקיים מינוריים בלבד בין Super Mario Bros. 3 של הקונסולה Nintendo Entertainment System, לבין Super Mario World מהקונסולה של הדור שבא אחריו, Super Nintendo Entertainment System. לעומת זאת, בין Super Mario World לבין הכותר Mario 64 שיצא עבור הקונסולה Nintendo 64 (של הדור הבא), ניכרים הבדלים מהותיים.
גרפיקה תלת-ממדית דורשת משאבי מעבד וזיכרון רבים, ולכן משחקי התלת-ממד הראשונים היוו חיקוי של הסביבה התלת-ממדית. לדוגמה, משחק בו לשחקן הייתה יכולת תנועה מישורית בחיקוי של סביבה תלת-ממדית, ואת היכולת לעלות למישורים גבוהים או נמוכים יותר באמצעות מעליות או מדרגות.
באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20 הפכו יישומי התלת-ממד לנפוצים ותובעניים יותר ככל שסימולציית המציאות שלהם השתפרה, דבר שהביא חברות חומרה (כגון nVidia) לפתח כרטיסי מסך למחשבים ביתיים במטרה להוריד את עומס החישוב והזיכרון מהמעבד הראשי אל כרטיס המסך.