3D računarska grafika

mini|Klasični objekat u 3D računalnoj grafici

**3D računalna grafika** (ili **trodimenzionalna računalna grafika**) jeste pojam koji označava različite metode stvaranja i prikazivanja trodimenzionalnih objekata pomoću Računalna grafika.

## Uvod 
3D računalna grafika predstavlja granu računalne grafike koja se bavi stvaranjem, obradom i prikazivanjem digitalnih modela s trodimenzionalnim karakteristikama. Za razliku od dvodimenzionalne grafike, koja se sastoji isključivo od x i y koordinata, 3D grafika dodaje treću dimenziju – dubinu, čime se postiže realističniji prikaz objekata i scena. Ova tehnologija omogućava kreiranje realističnih simulacija, animacija, vizualizacija i interaktivnih okruženja koja se koriste u industrijama poput zabave, medicine, arhitekture, inženjerstva i mnogih drugih područja. Osnovni koncepti se temelje na geometrijskim modelima, transformacijama, osvjetljenju, teksturiranju i renderiranju.

## Podjela 3D računalne grafike 
3D grafika obuhvaća nekoliko ključnih područja, pri čemu se svaki segment bavi specifičnim tehnikama:
* **Modeliranje**: Stvaranje matematičkih reprezentacija objekata. Metode uključuju poligonalno modeliranje, NURBS, volumetrijsko modeliranje i digitalno skeniranje.
* **Trodimenzionalne geometrijske transformacije**: Operacije koje mijenjaju položaj, orijentaciju i veličinu 3D modela, poput translacije, rotacije, skaliranja i shearinga.
* **3D vizualizacija** (Viewing): Tehnike za prikazivanje 3D scena na 2D zaslonu putem paralelnih i perspektivnih projekcija.
* **3D objekt reprezentacija**: Načini modeliranja i pohranjivanja 3D objekata, uključujući topologiju, materijalne atribute i teksture.
* **Rendering i napredne tehnike**: Proces pretvaranja 3D modela u finalnu sliku, koji uključuje metode poput ray tracinga, rasterizacije, path tracinga, globalne iluminacije, radiosity-ja i postprocesiranja, uz napredne tehnike za optimizaciju (npr. occlusion culling, Level of Detail, paralelizaciju putem GPU-a).

## Upotreba 3D računalne grafike u industriji i interaktivnim aplikacijama 
3D grafika ima široku primjenu, kako u industrijskim sektorima, tako i u interaktivnim tehnologijama:
* **Film, animacija i reklama**: CGI omogućava stvaranje spektakularnih vizualnih efekata u filmovima i oglašavanju.
* **Videoigre i interaktivne simulacije**: Real-time rendering omogućuje dinamične i interaktivne 3D okoline u igrama i simulacijama, prilagođavajući se akciji igrača.
* **Arhitektura i dizajn**: 3D modeliranje pomaže arhitektima i dizajnerima da vizualiziraju projekte prije izgradnje i komuniciraju ideje s klijentima.
* **Inženjering i industrijski dizajn**: Koristi se za simulacije, analize i optimizaciju proizvoda prije proizvodnje.
* **Medicina i obrazovanje**: 3D vizualizacije omogućavaju detaljan prikaz anatomije i interaktivne simulacije u obrazovnim materijalima.
* **Virtualna, proširena i mješovita stvarnost**: 3D grafika osigurava temelj za VR, AR i MR aplikacije koje stvaraju imerzivna iskustva.

## Modeliranje u 3D grafici 
Modeliranje predstavlja temeljni korak u kreiranju 3D grafike. Glavne metode uključuju:
* **Poligonalno modeliranje**: Najčešće korištena metoda koja koristi poligone (obično trokute i četverokute) za definiranje oblika objekata.
* **NURBS modeliranje**: Korištenje matematičkih krivulja za stvaranje glatkih i zakrivljenih površina, posebno korisno u industrijskom dizajnu.
* **Digitalno skeniranje i fotogrametrija**: Metode za kreiranje 3D modela stvarnih objekata koristeći digitalne kamere i laserske skenere.
* **Volumetrijsko modeliranje**: Tehnike za stvaranje 3D modela iz skeniranih podataka, npr. CT ili MRI skenova.

Specijalizirani softverski paketi poput Autodesk 3ds Max, Maya, Blender i Cinema 4D koriste se za detaljno modeliranje, uređivanje i pripremu modela za rendering.

## Grafičke funkcije i biblioteke 
Grafičke funkcije omogućavaju opis sastavnih dijelova slike, a one uključuju:
* Crtanje osnovnih oblika (linija, poligona, kružnica, sfera)
* Postavljanje boja i tekstura
* Upravljanje osvjetljenjem i sjenčanjem
* Definiranje kamere i pogleda scene
* Primjenu filtera i efekata za dodatnu vizualnu obradu

Biblioteke kao što su OpenGL, DirectX, Vulkan i Softimage ICE koriste se za implementaciju ovih funkcija, dok programski jezici poput C, C++, Java i Fortrana imaju podršku za dodatne grafičke biblioteke.

## Geometrijske transformacije 
**Geometrijske transformacije** su operacije kojima se mijenja položaj, orijentacija i veličina 3D objekata. Osnovne transformacije uključuju:
* **Translacija**: Pomicanje objekta u prostoru.
* **Rotacija**: Okretanje objekta oko određene osi.
* **Skaliranje**: Promjena veličine objekta.
* **Shearing**: Promjena oblika objekta bez promjene osnovne strukture.

Ove operacije se primjenjuju pomoću matrica, koje se mogu kombinirati za postizanje složenijih transformacija. Više o ovom konceptu možete pročitati na članku Geometrijske transformacije.

## Rendering i napredne tehnike 
Rendering predstavlja završnu fazu 3D grafike u kojoj se 3D model pretvara u finalnu sliku. Metode renderiranja uključuju:
* **Ray tracing**: Simulira put svjetlosnih zraka kako bi se postigle realistične refleksije, refrakcije i sjene.
* **Rasterizacija**: Brza metoda konverzije 3D geometrije u 2D sliku, idealna za real-time primjene.
* **Path tracing**: Napredna metoda koja omogućava simulaciju složenih svjetlosnih efekata.
* **Globalna iluminacija**: Simulacija indirektnog osvjetljenja za prirodniji prikaz svjetla.
* **Postprocesiranje**: Primjena filtera i efekata poput korekcije boja i zamućenja.

Napredne tehnike također uključuju rad s teksturama (mipmapping, trilinearna interpolacija), antialiasing za glatki prikaz rubova, optimizaciju performansi (occlusion culling, LOD) te paralelno procesiranje pomoću GPU-a.

## Standardi i formati u 3D grafici 
Korišteni standardi i formati ključni su za interoperabilnost:
* **OBJ** – jednostavan format za pohranu geometrije 3D modela.
* **FBX** – format koji omogućuje prijenos kompleksnih scena s animacijama i teksturama.
* **Collada** – XML-bazirani format za razmjenu 3D podataka.
* **STL** – široko korišten format u 3D ispisu.
* **DXF** – format za razmjenu podataka između CAD sustava.
* API-jevi poput OpenGL, DirectX i Vulkan definiraju protokole za real-time prikaz 3D grafike.

## Utjecaj 3D grafike u industriji i interaktivnim tehnologijama 
3D računalna grafika transformirala je mnoge industrije:
* **Film i animacija:** CGI omogućuje stvaranje vizualnih efekata koji su revolucionirali filmsku industriju.
* **Videoigre i interaktivne aplikacije:** Real-time rendering omogućuje dinamične i interaktivne 3D okoline u igrama i simulacijama.
* **Arhitektura i dizajn:** 3D modeliranje pomaže u vizualizaciji projekata, olakšavajući komunikaciju s klijentima.
* **Medicina:** 3D modeli se koriste za prikaz anatomije, planiranje operacija i edukaciju.
* **Industrijski dizajn:** Simulacije omogućuju testiranje i optimizaciju proizvoda prije proizvodnje.
* **Obrazovanje:** Interaktivne 3D simulacije pomažu u razumijevanju kompleksnih koncepata.
* **Reklamna industrija:** 3D grafika poboljšava prezentaciju proizvoda kroz atraktivne vizualne sadržaje.
* **VR, AR i MR:** 3D grafika osigurava temelj za stvaranje imerzivnih iskustava u virtualnoj i proširenoj stvarnosti.

## Tehničke osnove i algoritmi 
3D grafika se temelji na matematičkim modelima i algoritmima koji omogućavaju:
* **Matične transformacije**: Primjena matrica za translaciju, rotaciju i skaliranje.
* **Rasterizaciju**: Pretvaranje 3D modela u 2D slike.
* **Praćenje zraka (ray tracing)** i **path tracing**: Metode za simulaciju svjetlosnih zraka.
* **Globalnu iluminaciju**: Simulacija refleksije svjetlosti između objekata.
* **Optimizaciju performansi**: Tehnike poput occlusion cullinga i LOD-a.
* **Paralelizaciju**: Korištenje GPU-a za ubrzanje renderiranja.

## Sigurnost i zaštita 
Osiguranje 3D grafike obuhvaća zaštitu intelektualnog vlasništva, sigurnost podataka te redovita sigurnosna ažuriranja softvera. Digitalni modeli i teksture često su predmet krađe, stoga je zaštita ovih podataka od izuzetne važnosti.

## Utjecaj na društvo i kreativnost 
3D računalna grafika utječe na društvo i umjetnost kroz:
* **Digitalnu transformaciju**: Omogućava razvoj interaktivnih medija, virtualnih izložbi i edukativnih alata.
* **Kreativnost i umjetnost**: Umjetnici koriste 3D grafiku za stvaranje digitalnih skulptura, interaktivnih instalacija i animacija.
* **Globalnu suradnju**: Standardizirani alati omogućuju suradnju stručnjaka diljem svijeta, potičući inovacije.

## Istraživanje i razvoj 
Akademska zajednica kontinuirano istražuje nove metode u 3D grafici:
* Sveučilišni tečajevi i programi posvećeni su 3D modeliranju, računalnoj animaciji i vizualizaciji.
* Istraživački radovi objavljuju se u časopisima kao što su *ACM Transactions on Graphics* i *IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics*.
* Konferencije poput SIGGRAPH-a okupljaju stručnjake koji prezentiraju najnovije inovacije.

## Primjena u interaktivnim tehnologijama 
3D grafika omogućuje razvoj interaktivnih sustava:
* **Videoigre**: Real-time renderiranje omogućuje dinamične interaktivne igre.
* **Virtualna i proširena stvarnost (VR/AR)**: Omogućuju stvaranje imerzivnih iskustava u edukaciji, zabavi i profesionalnim simulacijama.
* **Web 3D aplikacije**: Tehnologije poput WebGL-a omogućuju prikaz 3D grafike direktno u preglednicima.

## Primjeri softvera i alata 
Profesionalci koriste specijalizirani softver za 3D grafiku:
* **Autodesk 3ds Max** i **Maya** – za modeliranje, animaciju i rendering u filmskoj i videoigračkoj industriji.
* **Blender** – besplatni, otvoreni softver za modeliranje, animaciju i rendering.
* **Cinema 4D** – popularan alat za motion graphics.
* **ZBrush** – za digitalno kiparstvo i stvaranje detaljnih modela.
* **Houdini** – za proceduralno modeliranje i vizualne efekte.
* **Unity** i **Unreal Engine** – game enginei za razvoj interaktivnih igara i simulacija.

## Zaključak 
3D računalna grafika je temelj modernog vizualnog izražavanja i tehnologije. Kroz razvoj naprednih modeliranja, renderiranja i interaktivnih tehnika, 3D grafika transformira industrije, potiče inovacije i omogućava globalnu suradnju. Njezina primjena u filmovima, videoigrama, arhitekturi, medicini i mnogim drugim područjima čini je ključnom tehnologijom suvremenog doba.

## Poveznice 
* 2D računalna grafika
* Računalni vid
* Grafika
* Grafički procesor
* Procesiranje slike
* Render (računalna grafika)
* Računalna animacija

## Reference 
## Vanjski linkovi 
* Historija računalne grafike i animacije – kursna stranica Ohio State University s materijalima (filmovi, članci, linkovi).
* CGI visokokvalitetni primjeri 
* Primjeri iz arhitekture

Kategorija:Računalna grafika
Kategorija:Grafička industrija