Исследование и разработка методов нефотореалистичной визуализации для реализации графической библиотеки реального времени Часть 5

Выбор технологии для реализации методов нефотореалистичной графики реального времени

Существует много предметных областей, где применение фотореалистичной визуализации неэффективно или неприемлемо. В широком смысле нефотореалистичной визуализацией называют любые методы, не связанные с физическим моделированием объектов на изображении. В узком смысле НФР включает в себя лишь методы имитации традиционных живописных стилей и средств. На данный момент существует немного инструментов реализующие нефотореалистичные эффекты, так как эта область достаточно новая.

Рассмотрим существующие программы, с помощью которых можно добиться нефотореалистичных изображений, видео и анимации.

Обзор нефотореалистичных визуализаторов

Существуют инструменты, с помощью которых можно получить нефотореалистичные изображения, либо добавить нефотореалистичные эффекты в видео поток или 3d сцену. Далее будет произведён обзор наиболее известных программ и инструментов, позволяющих добиться нефотореалистичности в изображениях, видео, анимации и компьютерных играх.

Adobe Photoshop

Adobe Photoshop — растровый графический редактор, разработанный и распространяемый фирмой Adobe Systems. Этот продукт является безусловным лидером среди профессиональных графических редакторов за счет своих широчайших возможностей, высокой эффективности и скорости работы. Программа предоставляет все необходимые средства для коррекции, монтажа, подготовки изображений к печати и высококачественного вывода.

Основное назначение программы Adobe Photoshop — создание фото реалистических изображений, работа с цветными сканированными изображениями, ретуширование, цветокоррекция, коллажирование, трансформации, цветоделение и другое. Adobe Photoshop располагает всеми методами работы с точечными изображениями, при этом имеет возможность работы со слоями и использует контуры.

Программа позволяет легко изменять цветовое представление документов (битовое, в градациях серого, дуплекс, индексированные цвета, RGB или CMYK). Photoshop — это программа растровой графики, то есть любой элемент изображения строится по точкам. Adobe Photoshop — это профессиональный графический редактор, который при этом достаточно прост в освоении и использовании.

Adobe Photoshop имеет множество различных фильтров, включая и нефотореалистичные. Качество получаемых изображений очень хорошее, но, ни для чего другого кроме изображений данный инструмент не приспособлен.

Piranesi

Piranesi — растровый редактор для обработки 3-х-мерных моделей. Разработан специально для архитекторов, дизайнеров, визуализаторов, с целью создания нефотореалистичного рендеринга проектов. Являясь 2-х-мерным, считывает информацию с 3-х-мерной графики. Учитываются параметры цвета (сохраняется информация о цвете каждого пикселя), материала, глубины. Программа разработана английской компанией Informatix, названа в честь знаменитого итальянского архитектора, художника-графика, мастера архитектурных пейзажей — Джованни Баттиста Пиранези. В настоящее время Piranesi доступен на платформах Mac OS и Microsoft Windows [3].

Piranesi — позволяет превращать визуализацию в красочные, реалистичные модели; создавать иллюстрации, стилизованные под нарисованные вручную картины. Идеально подходит для формирования презентаций на основе 3-х-мерных моделей. Даёт возможность представить проект с учётом времени года, освещения, антуража. Piranesi позволяет оформлять иллюстрации в различной стилистике: уголь, акварель, эскиз, карандашный рисунок, пейзаж и т. д.

Рендеринг в данной программе идет гораздо быстрее, чем в реальном 3D, а результат более реалистичный, чем в обычном 2D.

Adobe After Effects

Adobe After Effects — продукт компании Adobe Systems, программа для редактирования видео и динамических изображений, разработки композиций (композитинг), анимации и создания различных эффектов. Широко применяется в обработке отснятого видеоматериала (цветокоррекция, пост-продакшн), при создании рекламных роликов, музыкальных клипов, в производстве анимации (для телевидения и web), титров для художественных и телевизионных фильмов, а также для целого ряда других задач, в которых требуется использование цифровых видеоэффектов.

Благодаря обширной библиотеке плагинов, разработанных сторонними компаниями, AfterEffects также используется в полиграфии и графическом дизайне для редактирования статичных графических изображений (фотографий, изображений, сгенерированных на компьютере и т. д.)

В версии CS4 был добавлен фильтр мультипликации Cartoon, расширены возможности инструмента Shape Layers, который предназначен для рисования и анимации векторных кривых с возможностью добавления и анимации штрихов, заливок, градиентов и векторных эффектов.

Cartoon Reyes

CartoonReyes был одной из первых попыток получить 2d-изображение в трехмерном редакторе компьютерной графики. Принцип его работы основан на том, что программа определяет линию контура объекта, внутри которой осуществляется заливка по определенному алгоритму.
CartoonReyes добавляет два типа материалов: Cartoon Material и Cartoon Fix Material. Первый позволяет устанавливать такие параметры, как цвет линии контура, цвет свечения, а также карту прозрачности и некоторые другие параметры раскраски. Cartoon Fix Material используется тогда, когда необходимо получить материал, основанный на выбранном стандартном материале 3D Studio Max. В этом случае все решает основной материал (Original Material), а настройки Cartoon Fix Material могут лишь незначительно влиять на стиль окраски объекта [8]. Для того чтобы внешний рендер CartoonReyes выполнил просчеты, сцена должна в основном состоять из материалов плагина. Только в этом случае пользователь сможет получить мультяшное изображение. Если же отрендерить сцену, в которой имеются материалы CartoonReyes, стандартным рендером, такого эффекта не добиться.

NPR1

Большая популярность CartoonReyes заставила разработчиков задуматься над продолжением серии нефотореалистичных рендеров. Спустя некоторое время ими был создан рендер следующего поколения — NPR1 (Non-PhotoRealistic Render). Этот продукт включает в себя все возможности CartoonReyes, а также имеет некоторые новые эффекты визуализации [2].

Основная цель, которую преследовали разработчики этого рендера, — создать такой алгоритм просчета, чтобы полученное изображение напоминало картину художника. На данный момент в плагине реализованы следующие стили:

  • Пуантилизм (живописный прием письма отдельными четкими мазками в виде точек или мелких квадратов, использующий только чистые цвета, в расчете на их смешение при оптическом восприятии; широко представлен во французском импрессионизме)
  • Цветной карандаш
  • Штриховка
  • Пастель

Разработчики обещают в последующих версиях NPR1 значительно расширить число таких стилей, в частности — добавить имитацию гравировки и рисунка маслом.

Sketch and Toon

Sketch and Toon – это невотореалистичный рендер, с помощью которого создаются изображения и анимации, которые выгладят так, как будто их только что создал художник.

Название «Sketch and Toon» вводит в заблуждение. Правильнее было бы добавить к названию ещё и «and Paint and Draw and Hatch and Illustrate and and and…». Количество стилей, которые можно создавать с помощью Sketch and Toon практически безгранично. Строгие технические чертежи так же возможны, как и стиль быстрого наброска.

Рисунки фломастером и углём, а так же абстрактные стили рисования. Статическое изображение или анимация — всё зависит только от Вас. Возможна практически любая комбинация различных стилей, даже комбинация рисунка и фотореалистичного стиля. Sketch and Toon представляет собой плагин для графического пакета CINEMA 4D.

Irrlicht Engine

Irrlicht (Irrlicht Engine) — трёхмерный графический движок, который является бесплатным свободным программным продуктом. «Irrlicht» использует возможности OpenGL, DirectX и нескольких собственных рендереров. Пользователю предоставляются различные функциональные возможности по загрузке и управлению трёхмерными (3D) объектами (сцены, модели и т. п.), немногими спецэффектами и графическим интерфейсом пользователя [18].

Одна из важных особенностей Irrlicht его кроссплатформенность — т.е. способность работать на различных платформах. Платформонезависимая прослойка обеспечивает лёгкую портируемость (т.е. перенос движка) на различные не поддерживаемые официально платформы, в частности существуют порты под android, iPhone и пр.

Irrlicht лучше всего подходит для разработки по нескольким причинам:

  • простота в изучении и использовании (прозрачная архитектура движка)
  • небольшой, но, тем не менее, вполне достаточный набор возможностей
  • совместимость с такими инструментами, как 3D, звуковые, графические и редакторы спецэффектов
  • нет необходимости в компиляции и сборке движка из исходников
  • бесплатность и открытость движка (любая поддержка — бесплатна и квалифицирована)

Данный движок работает на GPU, т.е. в рельном времени и подходит для обработки видео и создания интерактивных программ, но Irrlicht Engine не содержит нефотореалистичных эффектов.

Сравнение рассмотренных визуализаторов и формирование требований для разрабатываемой библиотеки

Несмотря на то, что фотография и кинематограф приобрели огромную популярность и даже стали искусством, профессия художника не исчезла. Идея заставить компьютер рисовать картины давно будоражит ум человека, но все попытки не увенчались успехом. Сымитировать работу, скажем, импрессиониста можно, например, в Adobe Photoshop или еще в каком-нибудь графическом редакторе. Результат получится неплохой, но для анимации такой способ не подойдет, так как применять к каждому кадру фильтр Photoshop, а затем «склеивать» все воедино очень трудно.

Нельзя считать выходом из подобной ситуации и использование встроенных фильтров обработки изображения в программах для нелинейного видеомонтажа (например, в Adobe Premiere или Ulead Media Studio Pro). Как бы ни старались программисты, придумывая все новые алгоритмы просчета изображения, все равно анимация выглядит не так, как ожившая картина художника, а как размытое действо, происходящее за цветным витражом.

А вот изображения, полученные при помощи программ 3d визуализации (NPR1, Sketch and Toon), напоминают картины, написанные мелками или кистью художника. Изображения, просчитанные данными плагинами, выглядят оригинально и не похожи на те, которые можно сделать, скажем, в том же Adobe Photoshop. Это объясняется тем, что в процессе визуализации они учитывают не только растровое изображение в целом (как это происходит в Photoshop), но и геометрию всех трехмерных объектов, а также расстояние от камеры до них. Кроме того, по мере передвижения моделей в сцене компьютерные мазки не возникают внезапно, а плавно изменяются от начала анимации до ее окончания. Но 3d визуализаторы, такие как 3ds max или Cinema 4d производят обработку сцен на центральном процессоре, вследствии чего рендеринг происходит медленно, можно сказать в офлайн режиме. Возможно, в будущем, CPU и GPU будут эффективно использоваться вместе для офлайн рендеринга, пока это все находится на уровне закрытых разработок.

Принципиально другим является механизм рендерига в режиме реального времени, который подходит ещё и для создания компьютерных игр и других интерактивных графических программ. Для его реализации существуют графические библиотеки (так называемые «движки»), но большинство графических движков закрыты для рядового пользователя, разрабатываются конкретно под определённую игру и в основном нацелены на реалистичность. Наглядно сравнение существующих нефотореалистичных визуализаторов представлено в приложении А.

Исходя из всего вышесказанного, можно сформулировать требования к системе, которая бы решала недостатки рассмотренных программ и подходов:

  • Возможность обработки изображений, видео потока и 3d моделей
  • Возможность создания нефотореалистичных изображений, видео, анимации и интерактивных программ
  • Расширяемость (простота добавления новых нефотореалистичных эффектов, разработанных сторонними производителями)
  • Скорость визуализации (визуализация должна осуществляться в реальном времени, т.е. не медленнее чем 20 кадров в секунду)
  • Простота изучения, удобство в использовании
  • Аппаратно независимость
  • Ортогональность (независимость одного эффекта от другого)
Реклама
Запись опубликована в рубрике Диплом. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s