Τρισδιάστατα γραφικά υπολογιστή

Τα τρισδιάστατα γραφικά υπολογιστή (σε αντίθεση με τα δισδιάστατα γραφικά) είναι γραφικά που χρησιμοποιούν μία αναπαράσταση γεωμετρικών δεδομένων σε τρεις διαστάσεις. Αυτά τα γεωμετρικά δεδομένα βρίσκονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή για σκοπούς εκτέλεσης υπολογισμών και σκιαγράφησης δισδιάστατων εικόνων. Αυτές οι εικόνες μπορούν να αποθηκευτούν για προβολή αργότερα ή σε πραγματικό χρόνο.

Η πρώτη ταινία που παρήχθη μέσω τρισδιάστατων υπολογιστικώς παραγόμενων απεικονίσεων (computer generated imagery - CGI) παρουσιάστηκαν στο κοινό με την ταινία Future World του 1976 των Έντγουϊν Κάτμουλ και Φρέντερικ Παρκ, ενώ η πρώτη εξ' ολοκλήρου τρισδιάστατη ταινία, το Toy Story, βγήκε στις κινηματογραφικές αίθουσες το 1995 με παραγωγό τον Τζον Λάσιτερ της Pixar και διανομή της Disney Animation.

Κινούμενο σχέδιο σε τρεις διαστάσεις (3D animation) 
Σε υλοποιήσεις κινουμένου σχεδίου σε χώρους τριών διαστάσεων λαμβάνεται υπ' όψιν η τρίτη διάσταση του βάθους πεδίου, δηλαδή η παράμετρος της μετατόπισης στο χώρο, σε αντίθεση με τα δισδιάστατα μοντέλα, όπου λαμβάνονται υπόψη μόνο οι παράμετροι του χρόνου και της μετατόπισης στο επίπεδο. Προκειμένου να παραχθούν τρισδιάστατα ρεαλιστικά εικονικά περιβάλλοντα απαραίτητος είναι ο σχεδιασμός μοντέλων. Τα τρισδιάστατα μοντέλα πρέπει να δημιουργηθούν και να τοποθετηθούν μέσα σε κάποιο σκηνικό συμπληρώνοντας όλες τις λεπτομέρειες όπως ο ρουχισμός των ηρώων και η φωνή τους, η μουσική υπόκρουση, η θέση της κάμερας, τα ειδικά εφέ. Το τελικό αποτέλεσμα είναι σε μία πλατφόρμα τρισδιάστατη με εικόνες με βάθος, φως, σκίαση και πολλαπλή προοπτική. Με τη βοήθεια διαφόρων λογισμικών στην αγορά για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων, που κυμαίνονται από τα φτηνότερα ως τα πιο επαγγελματικά, ο δημιουργός έχει το πλεονέκτημα ότι με τρισδιάστατο κινούμενο σχέδιο μπορεί να κάνει ευκολότερα τις αλλαγές που χρειάζονται, να χρησιμοποιήσει μία μεγάλη γκάμα οπτικής τεχνοτροπίας και βεβαίως να περιορίσει τις εργατοώρες. Ενώ στα δισδιάστατα κινούμενα σχέδια η «ζωγραφιά» ή η κίνηση γίνεται σε επίπεδη επιφάνεια με οριζόντιες και κάθετες γραμμές, στα τρισδιάστατα το εικονικό περιβάλλον ελέγχεται από τον υπολογιστή και τον προγραμματιστή.

Γενικότερα, η δημιουργία τρισδιάστατου κινουμένου σχεδίου χωρίζεται σε τρία βασικά στάδια:
Μοντελοποίηση
Απόδοση σχεδιοκίνησης
Απόδοση

Μοντέλα
Είναι η διαδικασία κατά την οποία αναπτύσσεται μια μαθηματική εκπροσώπηση κάθε τρισδιάστατης επιφάνειας άψυχων ή έμψυχων αντικειμένων μέσω εξειδικευμένου λογισμικού, παράγοντας ένα τρισδιάστατο μοντέλο. Τα τρισδιάστατα μοντέλα αντιπροσωπεύουν ένα επίσης τρισδιάστατο αντικείμενο χρησιμοποιώντας μια συλλογή σημείων & άλλων πληροφοριών, στο τρισδιάστατο χώρο, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με διάφορες γεωμετρικές οντότητες όπως τρίγωνα, ευθύγραμμα τμήματα, καμπύλες, κλπ. Τα μοντέλα μπορούν να δημιουργηθούν είτε χειροκίνητα είτε με αλγοριθμικές διαδικασίες (procedural modeling) ή μέσω σάρωσης (model scanning).

Αναπαράσταση
Σχεδόν όλα τα τρισδιάστατα μοντέλα μπορούν να χωριστούν στις εξής κατηγορίες:

Στερεά (solid)
Χρησιμοποιούνται κυρίως για μη γραφικές προσομοιώσεις όπως για παράδειγμα ιατρικές ή μηχανικές, για σχεδιασμό υποβοηθούμενο από υπολογιστή (computer-aided design) και εξειδικευμένες οπτικές εφαρμογές, όπως την ανίχνευση ακτίνων και την εποικοδομητική στερεά γεωμετρία (constructive solid geometry). Τα μοντέλα αυτά καθορίζουν τον όγκο του αντικειμένου που αντιπροσωπεύουν.

Όρια (shell/boundary)
Αυτά τα μοντέλα αναπαριστούν την επιφάνεια, π.χ. το όριο του αντικειμένου, και όχι τον όγκο του. Είναι ευκολότερα στη χρήση από τα στερεά μοντέλα. Σχεδόν όλα τα οπτικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε παιχνίδια και ταινίες είναι μοντέλα-κελύφη (shell).

Διαδικασία μοντελοποίησης
Υπάρχουν τρεις δημοφιλείς τρόποι αναπαράστασης ενός μοντέλου:

Πολυγωνικός (polygonal) σχεδιασμός
Σημεία, κορυφές σε τρισδιάστατο χώρο συνδέονται με γραμμικά τμήματα σχηματίζοντας πολύγωνα. Η φιλοσοφία των περισσότερων τρισδιάστατων μοντέλων σήμερα είναι χτισμένη πάνω σε πολυγωνικά μοντέλα επειδή είναι ευέλικτα και επειδή οι υπολογιστές μπορούν να τα επεξεργαστούν γραφικά σε πολύ μικρό χρόνο. Επειδή βέβαια, τα πολύγωνα είναι επίπεδες επιφάνειες, οι σύνθετες κυρτές επιφάνειες μοντελοποιούνται μόνο κατά προσέγγιση με τη χρήση πολλών πολυγώνων.

Καμπυλωτός (curve) σχεδιασμός
Οι επιφάνειες NURBS ορίζονται από πολυωνυμικές καμπύλες, οι οποίες επηρεάζονται από σταθμισμένα σημεία ελέγχου (weighted control points). Η αύξηση του βάρους για ένα σημείο θα τραβήξει την καμπύλη πιο κοντά στο σημείο αυτό. Τα NURBS είναι πραγματικά λείες επιφάνειες και όχι απλές προσεγγίσεις χρησιμοποιώντας μικρές επίπεδες επιφάνειες και έτσι είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για οργανικές μοντελοποιήσεις.

Ψηφιακή γλυπτική
Πρόκειται για μία πολύ νέα μέθοδο μοντελισμού η οποία έγινε πολύ δημοφιλής λίγα χρόνια μετά την επινόησή της. Υπάρχουν συνολικά τρεις τύποι ψηφιακού σχεδιασμού: η εκτόπιση (η πιο δημοφιλής από όλες), η ογκομετρική, και η δυναμική διακόσμηση σε ψηφιδωτό ύφος.

Απόδοση σχεδιοκίνησης (animation)
Οι βασικές μέθοδοι σχεδιοκίνησης είναι οι εξής:

Η μέθοδος σημαντικών στιγμιοτύπων (key frames)
Χρησιμοποιείται στα περισσότερα προγράμματα τρισδιάστατης κατασκευής. Τα μοντέλα τοποθετούνται σε σημαντικά χρονικά σημεία σε συγκεκριμένες θέσεις του κόσμου και το πρόγραμμα αναλαμβάνει να συμπληρώσει τα ενδιάμεσα καρέ βάσει της τροχιάς της κίνησης που έχει οριστεί.

Η μέθοδος παραμετρικών σημαντικών στιγμιοτύπων
Έχει την ίδια λογική με την προηγούμενη μέθοδο μόνο που εδώ η κάθε οντότητα (αντικείμενο, κάμερα, φως) χαρακτηρίζεται από παραμέτρους.

Η μέθοδος του διαδικαστικού (procedural) κινουμένου σχεδίου 
Είναι μια αλγοριθμική μέθοδος στην οποία χρησιμοποιούνται χωρικές και χρονικές μετατροπές (περιστροφή, μετακίνηση κ.λπ), οι οποίες καθορίζονται από παραμέτρους (π.χ. γωνία περιστροφής) οι οποίες μπορούν να αλλάξουν κατά τη διάρκεια του κινουμένου σχεδίου.

Γενικότερα έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές τρισδιάστατης σχεδιοκίνησης όπως:

Κινηματική (kinimatics)
Αφορά τις ιδιότητες των αντικειμένων όπως τη θέση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση. Σε περιπτώσεις όπου το αντικείμενο είναι τεμαχισμένο σε περισσότερα κομμάτια τότε τα κομμάτια αυτά συνδέονται μεταξύ τους δημιουργώντας μια δενδρική ιεραρχία.

Δυναμική (dynamic)
Είναι αυτή που θα δώσει στο αντικείμενο τις φυσικές του ιδιότητες λαμβάνοντας της υπόψη τους νόμους της φυσικής και προσθέτοντας στην κίνηση του αντικειμένου χαρακτηριστικά ρεαλιστικότητας. Εδώ λαμβάνονται υπόψη στοιχεία όπως το υλικό, το βάρος, το μέγεθος, η πυκνότητα κλπ.

Καταγραφή κίνησης (motion capture)

Χρησιμοποιούνται ειδικοί αισθητήρες για να καταγράψουν την κίνηση ενός πραγματικού ανθρώπου ή ζώου. Τα δεδομένα εξάγονται από τους αισθητήρες αυτούς και χρησιμοποιούνται σε ειδικά κινούμενα σχέδια για να δημιουργήσουν την κίνηση των εικονικών χαρακτήρων.

Απόδοση (rendering)

Η διαδικασία ρεαλιστικής απόδοσης των μοντέλων και περιβαλλόντων με τη χρήση χρωμάτων, υφών, φωτισμού και σκιάσεων. Ο απαιτούμενος χρόνος ολοκλήρωσης του μοντέλου-χώρου αυξάνεται όσο αυξάνεται και η περιπλοκότητα του. 

Το πρόγραμμα που είναι υπεύθυνο για να παράγει την τελική φωτορεαλιστικά απεικονισμένη σκηνή ονομάζεται αποδοτιτής (renderer). Η διαδικασία παραγωγής της τελικής φωτορεαλιστικής απεικονισμένης σκηνής αποτελεί μια αρκετά σύνθετη διαδικασία μιας και οι παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη, προκειμένου να παραχθεί ένα ικανοποιητικό αποτέλεσμα που να προσεγγίζει αρκετά ρεαλιστικά την πραγματικότητα, είναι πολλές. Η διαδικασία της φωτορεαλιστικής απεικόνισης μπορεί να διαρκέσει κλάσματα του δευτερολέπτου ως και μία ολόκληρη μέρα προκειμένου να παραχθεί μία ενιαία εικόνα ανά καρέ. 

Τα τρισδιάστατα μοντέλα πρέπει να δημιουργηθούν και να τοποθετηθούν μέσα σε κάποιο σκηνικό συμπληρώνοντας όλες τις λεπτομέρειες όπως ο ρουχισμός των ηρώων και η φωνή τους, η μουσική υπόκρουση, η θέση της κάμερας, τα ειδικά εφέ. Το τελικό αποτέλεσμα είναι σε μία πλατφόρμα τρισδιάστατη με εικόνες με βάθος, φως και σκίαση και πολλαπλή προοπτική. Με τη βοήθεια διαφόρων λογισμικών στην αγορά για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων, που κυμαίνονται από τα φθηνότερα ως τα πιο επαγγελματικά, ο δημιουργός έχει το πλεονέκτημα ότι με 3Δ κινούμενο σχέδιο μπορεί να κάνει ευκολότερα τις αλλαγές που χρειάζονται, να χρησιμοποιήσει μία μεγάλη γκάμα οπτικής τεχνοτροπίας και βεβαίως να περιορίσει τις εργατικές ώρες. Ενώ στα δισδιάστατα κινούμενα σχέδια η «ζωγραφιά» ή η κίνηση γίνεται σε επίπεδη επιφάνεια με οριζόντιες και κάθετες γραμμές, στα τρισδιάστατα το εικονικό περιβάλλον ελέγχεται από τον υπολογιστή και το αποτέλεσμα είναι εφικτό με την προϋπόθεση ότι ο προγραμματιστής δώσει τις σωστές εντολές στο πρόγραμμά του.

Εργαλεία 
Γλώσσες όπως η Γλώσσα Μοντελοποίησης Εικονικής Πραγματικότητας (Virtual Reality Modeling Language - VRML) που εμφανίστηκε το 1997, ενώ υπόσχονταν πολλά όταν πρωτοεμφανίστηκε, δεν μπορεί να καλύψει τις υπέρογκες ανάγκες των κινούμενων σχεδίων και των γραφικών. Με τη βοήθεια των δεδομένων για πολυμεσικό προγραμματισμό (multimedia coding), MPEG και JPEG, θα δοθούν κίνητρα για περαιτέρω πρόοδο στον κόσμο της επικοινωνίας των πολυμέσων. Τις επόμενες δεκαετίες, η ψηφιακή τηλεόραση προορίζεται να αντικαταστήσει την αναλογική και MPEG-4, να χειρίζεται όχι μόνο οπτικοακουστικά στιγμιότυπα, αλλά συνθετικά και φυσικά υλικά, κίνηση σώματος και προσώπου (FBA). Ο χώρος που απαιτείται για την αποθήκευση και τη μεταφορά τρισδιάστατων ταινιών και παιχνιδιών είναι εξαιρετικά μεγάλος, γι’ αυτό τεχνικές γεωμετρικής συμπίεσης αναπτύσσονται, ενώ η ποιότητα παραμένει υψηλή. Η μνήμη και η μπάντα μετάδοσης αποτελούνται από μεγάλο αριθμό στιγμιοτύπων, τα οποία ξεχωριστά είναι ένα μεγάλο στατικό τρισδιάστατο μοντέλο. Έτσι, η ταινία Shrek δεν χρειάζεται να αποθηκευτεί σε οπτικοακουστικά στιγμιότυπα, αλλά η παράδοση της ταινίας γίνεται σε τρισδιάστατο μοντέλο το οποίο χρησιμοποιεί τη μικρότερη σε εύρος μπάντα σε πραγματικό χρόνο. Ο θεατής μπορεί να απολαύσει την ταινία ακόμα και σε ένα περιβάλλον Εικονικής Πραγματικότητας, με υψηλή ανάλυση, από και προς κινητά ή και σε οικιακό κινηματογράφο.

Εφαρμογές τρισδιάστατου κινουμένου σχεδίου

Κινηματογράφος
Παρατηρείται πολύ μεγάλη άνθηση στον αριθμό των κινηματογραφικών ταινιών που χρησιμοποιούν τρισδιάστατα γραφικά ή είναι και εξ‘ ολοκλήρου κατασκευασμένες με τη χρήση τρισδιάστατων γραφικών. Σήμερα, η τεχνολογία παραγωγής τρισδιάστατου κινουμένου σχεδίου έχει ως αποτέλεσμα την γραφική αναπαράσταση ανθρωπίνων χαρακτήρων με άκρως ρεαλιστικό αποτέλεσμα.

Εκπαίδευση
Η τεχνική των τρισδιάστατου κινουμένων σχεδίων χρησιμοποιείται πολύ και για εκπαιδευτικούς σκοπούς μιας και έτσι οι μαθητές βοηθούνται στο να φανταστούν τα αντικείμενα και τις έννοιες κατανοώντας έτσι πολύπλοκες και δυσνόητες θεωρητικές έννοιες. Επιπλέον μέσω του κινουμένου σχεδίου οι εκπαιδευτικοί μπορούν να δημιουργήσουν προσομοιώσεις καταστάσεων και διαδικασιών και να δείξουν στους μαθητές τα φαινόμενα που μελετούν όπως ακριβώς αυτά συμβαίνουν σε πραγματικό χρόνο.

Εφαρμογές 3Δ κινουμένων σχεδίων διαδραματίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο και σε τομείς όπως η αρχαιολογία, η αρχιτεκτονική και η μηχανική, η ιατρική καθώς και σε όλες τις φυσικές επιστήμες όπως γεωλογία, γεωγραφία, χημεία, πυρηνική φυσική, αστρονομία κλπ.

Πηγές 
 Γραφικά και Οπτικοποίηση. Αρχές και Αλγόριθμοι, Θ. Θεοχάρης, Γ. Παπαϊωάννου, Ν. Πλατής, Ν.Μ. Πατρικαλάκης
 Γραφικά Υπολογιστών με OpenGL, Hearn Baker
 https://web.archive.org/web/20120107213255/http://www.myholler.com/155online/lectures/history.pdf
 http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1185461
 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00871557
 https://web.archive.org/web/20071106005343/http://www.tziola.gr/gr/PreviewBook.asp?ID=15
 http://invenio.lib.auth.gr/record/124382

Γραφικά υπολογιστών