Кинематограф, компьютерные игры, архитектура и строительство, машиностроение — это далеко не полный перечень областей, в которые глубоко проникла 3D-индустрия.
Некоторые отрасли человеческой деятельности (как, например, дизайн, мультипликация, игры) уже просто невозможно представить без реалистичных 3D-изображений или анимации. Кажется, что так было всегда, но качественная графика, доступная широкому кругу пользователей ПК, появилась не так давно…
За кулисами 3D спрятан очень серьезный математический аппарат, реализованный в ядре графической системы, производящей трехмерные изображения. Математические зависимости, описывающие формирование цифровой модели реальных объектов, а также алгоритмы для просчета освещения трехмерных сцен (областей виртуального пространства, содержащих трехмерные объекты и источники света), разработаны еще в 60-х годах прошлого века.
Но слабые возможности аппаратного обеспечения в ту пору не позволяли создавать даже совсем несложные 3D-изображения. Первые компьютерные программы, формирующие простенькие трехмерные модели на основе эскизов, были созданы в университете города Юты (США) Иваном Сазерлендом и Дэвидом Эвансом. Начиная с середины 70-х их последователи Эд Катмулл, Джим Блинн, Би Тюн Фонг (студенты все той же кафедры компьютерной графики в Юте) продолжили развивать технологии работы с 3D-графикой и анимацией.
Поначалу исследования носили сугубо научный характер, так как мало кто воспринимал всерьез студенческие и аспирантские работы по формированию объемных изображений на экране компьютера. Но, как оказалось, фундаментальные исследования, проведенные в этот период, стали началом развития мощнейшей технологии, которая коренным образом изменила представление о возможностях применения компьютерной графики. Многое из созданного в те годы находит применение до сих пор. В частности, при визуализации используются материал Blinn, созданный Дж. Блинном, а также специальная модель освещения, основанная на расчете интенсивности света в каждой точке поверхности объекта, разработанная Фонгом и известная под названием Phong shading.
Phong shading
Со временем геометрические формы создаваемых на экране моделей все более и более усложнялись: наряду с простыми геометрическими примитивами и их комбинациями (куб, сфера, тор, различные тела, описываемые несложными алгебраическими уравнениями) появилась возможность поверхностного моделирования. В данном случае формируемая модель представляет собой поверхность, которая может состоять из множества полигонов (чаще всего треугольников). Развитие поверхностного моделирования стало большим шагом вперед и позволило создавать модели любой формы, включая живые организмы: людей, растения и т. п. Но параллельно с проблемами, связанными со сложностью форм 3D-моделей, всегда стоял вопрос повышения их реалистичности.
То есть кроме собственно математического описания геометрии модели, которое бы максимально отвечало форме моделируемого и отображаемого объекта, требовалось его хорошее визуальное представление. И здесь очень кстати пришлись достижения ученых-физиков, занимающихся оптикой и различными формами излучения. Результаты их работ, касающиеся преломления, отражения, поглощения световых лучей, были положены в основу различных методов визуализации.
Стабильный рост производительности персональных компьютеров в начале 90-х дал толчок развитию относительно недорогих программ для трехмерного моделирования. Появление таких программных пакетов сделало 3D доступным для простых пользователей, при этом само моделирование перестало быть привилегией небольших групп ученых, занимающихся скучными исследованиями, или кинематографистов, имеющих доступ к мощным графическим станциям. Легкость в освоении, относительно невысокие требования к аппаратному обеспечению и поистине удивительные возможности таких систем обеспечили им быстрое распространение и большую популярность. Кроме того, развитие графических библиотек способствовало популяризации программирования 3D-приложений, что еще более ускорило развитие и распространение трехмерной графики. В области дизайна и анимации следом за такими китами 3D-моделирования, как 3D Studio Max, Maya, Softimage 3D, LightWave 3D, на рынке появляются небольшие компании (Renderman, Mental Ray и пр.), занимающиеся разработкой узконаправленных специализированных модулей — плагинов. В инженерном 3D-моделировании у тяжелых САПР-пакетов (CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer) инициативу перехватывают более легкие и простые в освоении 3D-пакеты нового поколения: SolidWorks, SolidEdge, Inventor.