3D

2015-12-04 13:27:52
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3D是英文“Three Dimensions”的簡稱,中文是指三維、三個維度、三個坐標,即有長、寬、高。今天的3D,主要特指是基于電腦/互聯網的數字化的3D/三維/立體技術,也就是三維數字化。包括3D軟件技術和硬件技術。

3D

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3D是英文“Three Dimensions”的簡稱,中文是指三維、三個維度、三個坐標,即有長、寬、高。今天的3D,主要特指是基于電腦/互聯網的數字化的3D/三維/立體技術,也就是三維數字化。包括3D軟件技術和硬件技術。

1 簡介

概括

中文是指三維、三個維度、三個坐標,即有長、有寬、有高,換句話說,我們本來就生活在四維的立體空間中(加一個時間維),我們的眼睛和身體感知到的這個世界都是三維立體的(時間是虛構的),并且具有豐富的色彩、光澤、表面、材質等等外觀質感,以及巧妙而錯綜復雜的內部結構和時空動態的運動關系;我們對這世界的任何發現和創造的原始沖動都是三維的。

電腦的發明和快速普及,伴隨互聯網的飛速延伸,迅速地改變和還原了這一切,深刻地改寫著我們的生活方式/消費方式和工作方式/生產方式……基于電腦和互聯網的三維數字化技術,終于使人們對現實三維世界的認識重新回歸到了原始的直觀立體的境界。無論在虛擬的網絡上還是在現實的生活中,從大到飛機、輪船、汽車、電站、大廈、樓宇、橋梁,小到生活中的每一個小小的工業產品,到處都能見到電腦制作的數字化的3D模型、動畫與仿真。這不僅是“2D/平面”到“3D/立體”的優美轉身!更是2D平面時代到3D數字化時代的一場深刻革命。

今天我們講的3D,主要特指是基于電腦/互聯網的數字化的3D/三維/立體,既可以是動詞、是名詞,又可以是形容詞、是狀態副詞,就也就是三維數字化。

3D或者說三維數字化技術,是基于電腦/網絡/數字化平臺的現代工具性基礎共用技術,包括3D軟件的開發技術、3D硬件的開發技術,以及3D軟件、3D硬件與其他軟件硬件數字化平臺/設備相結合在不同行業和不同需求上的應用技術。

發展隨著近些年來電腦技術的快速發展,3D技術的研發與應用已經走過了幾十年的前期摸索階段,技術的成熟度、完善度、易用性、人性化、經濟性等,都已經取得了巨大的突破;隨著電腦網絡應用的快速普及,就3D應用而言,更是成為了普通大專學生輕松駕馭的基本電腦工具,像電腦打字一樣;3D的消費和使用,如通過3D技術做出來的游戲、電影、大廈、汽車、手機、服裝等等,更已經成為了普通大眾工作和生活中的一部分。

舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家。3D就在每個人的身邊,人人都可以享用3D,3D讓我們回歸一個看似虛擬但卻是真實的立體世界。

3D技術及其應用

3D技術是推進工業化與信息化“兩化”融合的發動機,是促進產業升級和自主創新的推動力,是工業界與文化創意產業廣泛應用的基礎性、戰略性工具技術,嵌入到了現代工業與文化創意產業的整個流程,包括工業設計、工程設計、模具設計、數控編程、仿真分析、虛擬現實、展覽展示、影視動漫、地產宣傳片、3D立體畫、電子樓書、教育訓練等,是各國爭奪行業至高點的競爭焦點。

3D技術的應用經過多年的快速發展與廣泛應用,當前3D技術得到了顯著的成熟與普及;一個以3D取代2D、“立體”取代“平面”、“虛擬”模擬“現實”的3D浪朝正在各個領域迅猛掀起。

3D技術的應用普及,有面向影視動畫、動漫、游戲等視覺表現類的文化藝術類產品的開發和制作,有面向汽車、飛機、家電、家具等實物物質產品的設計和生產,也有面向人與環境交互的虛擬現實的仿真和摸擬等。具體講包括:3D軟件行業、3D硬件行業、數字娛樂行業、制造業、 建筑業、 虛擬現實、地理信息GIS、3D互聯網等等。

統計表明,在現代工業產品開發生產過程中,70%錯誤在設計階段已經產生,而80%的錯誤往往在生產或是更后續的階段才被發現并進行修正。3D的突出優勢在于能最大化的對產品進行仿真設計和用戶溝通,盡可能早地將錯誤和需求變更解決在設計階段,使產品開發周期縮短、生產成本降低,提升企業市場競爭優勢。

在西方發達國家,3D已成為產品設計、制造、管理、市場、服務、消費等的創新基礎和新的競爭高地;而掌握最前沿3D技術,也為他們把控產業鏈、獲取巨額利潤提供了依托。當前全球近80%的飛機與50%的汽車,使用法國達索系統的3D軟件設計制造;歐特克更是在3D數字娛樂等眾多領域引領全球創新走向;

欲善其事,先利其器。作為信息化條件下新的基本“語言”、“工具”和“平臺”,3D技術的研發與應用關系著中國產業結構的提升,以及在下一波世界競爭中占據怎樣的位置。沒有3D技術與人才的支撐,產業升級、自主創新、文化軟實力打造等將無從做起,“中國創造”將成為一句空話。把3D技術滲透到工業化與信息化“兩化融合”的實踐中,滲透到文化創意產業創新發展的實踐中,滲透到新一代創新型實用人才培養的實踐中,滲透到持續推動自主創新的進程中,不僅是技術能力建設,更是國家創新能力與文化軟實力建設上臺階的重要基礎。

2 3D打印

3D打印技術,是以計算機三維設計模型為藍本,通過軟件分層離散和數控成型系統,利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結,最終疊加成型,制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同,3D打印將三維實體變為若干個二維平面,通過對材料處理并逐層疊加進行生產,大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力,直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件,使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

我們日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品,而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印機的打印材料是墨水和紙張,而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是實實在在的原材料,打印機與電腦連 接后,通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說,3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備, 比如打印一個機器人、打印玩具車,打印各種模型,甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術原理,因為分層加工的過程與噴墨 打印十分相似。這項打印技術稱為3D立體打印技術。

首款3D打印筆

3D打印并非新鮮事,然而由于3D打印機的價格高昂,所以大部分人只“聽聞過”這種新玩意,卻從未有機會親身感受。美國一家公司推出價格只需3D打印機十分一的3D打印筆,期望這種新玩意能走入千家萬戶。

3D打印筆名為“3Doodler”,由美國波士頓WobbleWorks公司硏發。該產品目前正在科技集資網站Kickstarter籌募資金,原本的集資目標是三萬美元,但由于產品意念新穎而廣受歡迎,至今集資額已達四十一萬美元。

3D硬件產品

3D筆記本

3D打印機

3D掃描儀

3D電視

3D手機

3D相機

3D投影儀

3D彩超

工作站

圖形顯卡

GPU 立體眼鏡

3D眼鏡

裸眼3D技術

3D-Led

頭盔顯示器

三維空間跟蹤定位器

數據手套

三維空間交互球

多通道環幕

3 3D全息投影

3D全息投影是一種利用干涉和衍射原理記錄并再現物體 真實的三維圖像,是一種無需配戴眼鏡的3D技術,觀眾可以看到立體的虛擬人物。這項技術在一些博物館應用較多。3S動漫正是以這種全新的事物改變著人們對那些傳統舞臺的聲光電技術的審美態度。適用范圍產品展覽、汽車服裝發布會、舞臺節目、互動、酒吧娛樂、場所互動投影等。3D全息立體投影設備不是利用數碼技術實現的,而是投影設備將不同角度影像投影至進口的MP全息投影膜上,讓你看不到不屬于你自身角度的其他圖像,因而實現了真正的3D全息立體影像。

4 3D游戲

3D游戲是一個十分籠統的概念,只要有立體感的游戲都是叫做3D游戲,其實從概念上來講,3D游戲就是三維游戲,既是在游戲中使用3D模型來制作人物、場景等物體。使玩家可以在游戲中體會到長寬高三種度量,讓玩家可以360度旋轉視角,從各個角度來進行游戲。這大大增加的游戲的自由度、趣味度及真實性。目前3D游戲已經成為了時下最主流的游戲類型。當前也出現了一種2D+3D 的偽3D,也被成為2.5D的技術,其實就是通過2D與3D技術的結合來滿足不同需求的客戶。但由于3D模型的面數及復雜程度等問題,3D游戲對于顯卡運 算能力要求遠遠高于2D游戲。因此很多3D游戲都需要較高配置的獨立顯卡來完成流程精彩的3D游戲體驗。此外在畫面的精細度方面也較2D游戲有所欠缺。

當前國內已經有許多自己制作的出色的3D立體游戲,例如深度創藝科技有限公司傾力打造的《3D環游中國之極速都市》,這是一款賽車類的3D街機游戲,此款游戲的制作團隊采用的是《阿凡達》的特效。選取北京,山西,杭州,上海,廣州,香港六大城市賽道,讓玩家盡情體驗中國風的3D賽車游戲。經典的3D游戲還有很多,比如魔獸世界、永恒之塔 、指環王、天下2、誅仙2、完美國際、龍之谷、神兵傳奇、流星蝴蝶劍、劍俠情緣網絡版叁等等很多。

3D游戲雖然可以說是近幾年游戲領域的一大飛躍,但是也有自己的不足,最主要的一點是3D游戲畫面越好對設備的配置要求就越高,還有就是當前3D技術著 實有限,不能夠完美的將3D效果表達出來,所以畫面難免還是會有一些瑕疵,這也使許多追求完美的玩家不能夠滿意。但是畢竟這是游戲產業的一大進步,總體來看已經是相當不錯了。

以往3D游戲主要是端游的市場,隨著技術的發展,網頁游戲也已經實現了3D化。2013年樂生互動游戲公司推出大型海戰題材3D頁游《戰艦》,《戰艦》基于Unity3D引擎開發基于二戰海戰為背景的3D寫實類網頁競技游戲,游戲用C#、NodeJS、PHP等程序語言進行開發。

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5 3D眼鏡

原理

立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像,制成電影膠片。在放映時,,通過兩個放映機,把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映,使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時如果用眼睛直接觀看,看到的畫面是模糊不清的,要看到立體電影,就要在每架電影機前裝一塊偏振片,它的作用相當于起偏器。從兩架放映機射出的光,通過偏振片后,就成了偏振光。左右兩架放映機前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而產生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處,偏振光方向不改變.觀眾用上述的偏振眼鏡觀看,每只眼睛只看到相應的偏振光圖象,即左眼只能看到左機映出的畫面,右眼只能看到右機映出的畫面,這樣就會像直接觀看那樣產生立體感覺。這就是立體電影的原理。

在電影院中,佩戴立體眼鏡是為了給不同的眼睛送去不同的圖像,這和View-Master視鏡是一樣的。銀幕實際上顯示著兩幅圖像,而立體眼鏡會讓其中一幅進入一只眼睛,而另一幅進入另一只。

6 3D電影

3 D是英文Dimension(線度、維)的字頭,3D是指三維空間。國際上是以3D電影來表示立體電影。

人的視覺之所以能分辨遠近,是靠兩只眼睛的差距。人的兩眼分開約5公分,兩只眼睛除了瞄準正前方以外,看任何一樣東西,兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小,但經視網膜傳到大腦里,腦子就用這微小的差距,產生遠近的深度,從而產生立體感。一只眼睛雖然能看到物體,但對物體遠近的距離卻不易分辨。根據這一原理,如果把同一景像,用兩只眼睛視角的差距制造出兩個影像,然后讓兩只眼睛一邊一個, 各看到自己一邊的影像,透過視網膜就可以使大腦產生景深的立體感了。各式各樣的立體演示技術,也多是運用這一原理,我們稱其為“偏光原理”。

3D立體電影的制作有多種形式,其中較為廣泛采用的是偏光眼鏡法。它以人眼觀察景物的方法,利用兩臺并列安置的電影攝影機,分別代表人的左、右眼,同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面。放映時,將兩條電影影片分別裝入左、右電影放映機,并在放映鏡頭前分別裝置兩個偏振軸互成90度的偏振鏡。兩臺放映機需同步運轉,同時將畫面投放在金屬銀幕上,形成左像右像雙影。當觀眾戴上特制的偏光眼鏡時,由于左、右兩片偏光鏡的偏振軸互相垂直,并與放映鏡頭前的偏振軸相一致;致使觀眾的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像,通過雙眼匯聚功能將左、右像疊和在視網膜上,由大腦神經產生三維立體的視覺效果。展現出一幅幅連貫的立體畫面,使觀眾感到景物撲面而來、或進入銀幕深凹處,能產生強烈的“身臨其境”感。

當前在電影院里主要是播放采用兩種不同原理的3D影片:

一種以imax大屏幕立體電影為代表的,這種技術是效果最好的,即所謂的偏振光技術,在播放時,用兩部帶偏振鏡的放映機同步放映兩路視差影像,即左右眼分別應該看到的影像。因此如不帶電3d偏振光眼鏡的話,在屏幕上看到的就是重影影像,而觀眾配帶的3d眼鏡就是兩個偏振光鏡片,通過它們,就能讓我們的左右眼分別看到屏幕上放映的左右眼視差圖像,產生立體效果。imax影院的屏幕有高達16米的,圖象非常清晰,3d效果強烈,音響也很棒,是目前立體影院中最好的。

另外一種稱為紅藍補色立體電影,中國以前放的都是這種電影,觀看影片時,影院會給觀眾發一個幾塊錢就能買到的左紅右藍的濾色眼鏡,帶上后左眼就能看到屏幕上的紅影圖象,右眼看到藍影圖像,從而產生立體影像,這種立體電影比imax要差很多,立體感要差一些,但它的成本較低,也可以在普通的電影銀幕上放映,可以讓更多的人體會到立體電影帶來的視覺魔術,同時由于這種電影對屏幕沒有限制,所以我們只要買一副幾塊錢的紅藍立體眼鏡,就能在電腦上觀看立體電影。 (現影院已不再播放此類電影 主要以DVD BT下載為主)

還有一種常用的技術是立體眼鏡的原理,這種立體眼鏡采用時分方式,交替關閉左右液晶鏡片,而與之相配套的播放軟件分別在屏幕上同步交替播放左右眼視差影 像,因此我們的左右眼就能分別看到左右的視差影像。只要這個交替的速度足夠快,就能讓我們看到立體影像,并且不會有閃爍感。因此對電腦顯示器的要求較高,需要CRT顯示器,并且刷新頻率至少達到100hz以上。

7 三維圖形

3D是three-dimens ional的縮寫,就是三維圖形。在計算機里顯示3d圖形,就是說在平面里顯示三維圖形。不像現實世界里,真實的三維空間,有真實的距離空間。計算機里只是看起來很像真實世界,因此在計算機顯示的3d圖形,就是讓人眼看上就像真的一樣。人眼有一個特性就是近大遠小,就會形成立體感。計算機屏幕是平面二維的,我們之所以能欣賞到真如實物般的三維圖像,是因為顯示在計算機屏幕上時色彩灰度的不同而使人眼產生視覺上的錯覺,而將二維的計算機屏幕感知為三維圖像。基于色彩學的有關知識,三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色,而凹下去的部分由于受光線的遮擋而顯暗色。這一認識被廣泛應用于網頁或其他應用中對按鈕、3d線條的繪 制。比如要繪制的3d文字,即在原始位置顯示高亮度顏色,而在左下或右上等位置用低亮度顏色勾勒出其輪廓,這樣在視覺上便會產生3d文字的效果。具體實現 時,可用完全一樣的字體在不同的位置分別繪制兩個不同顏色的2d文字,只要使兩個文字的坐標合適,就完全可以在視覺上產生出不同效果的3d文字。

8 3D引擎

3D引擎是將現實中的物質抽象為多邊形或者各種曲線等表現形式,在計算機中進行相關計算并輸出最終圖像的算法實現的集合。

3D引擎根據是否能夠被主流計算機即時計算出結果分為即時3D引擎和離線3D引擎。PC機及游戲機上的即時3D畫面就是用即時3D引擎運算生成的,而電影中應用的3D畫面則是用離線3D引擎來實現以達到以假亂真的效果。

3D引擎對物質的抽象主要分為多邊形和NURBS兩種。在即時引擎中多邊形實現已經成為了事實上的標準,因為任何多邊形都可以被最終分解為容易計算和表示的三角形。而在離線引擎中為了追求最好的視覺效果會使用大量的NURBS曲線來實現多邊形很難表現出的細節和靈活性。

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9 3D max

3D Studio Max,常簡稱為3dsMax或MAX,是Discreet公司開發的(后被Autodesk公司合并)基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統的3D Studio系列軟件,最新版本是2010。在Windows NT出現以前,工業級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D StudioMax + WindowsNT組合的出現一下子降低了CG制作的門檻,首選開始運用在電腦游戲中的動畫制作,后更進一步開始參與影視片的特效制作,例如X戰警II,最后的武士等。

在應用范圍方面,廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。擁有強大功能的3DSMAX被廣泛地應用于電視及娛樂業中,比如片頭動畫和視頻游戲的制作,深深扎根于玩家心中的勞拉角色形象就是3DSMAX的杰作。在影視特效方面也有一定的應用。而在國內發展的相對比較成熟的建筑效果圖和建筑動畫制作中,3DSMAX的使用率更是占據了絕對的優勢。根據不同行業的應用特點對3DSMAX的掌握程度也有不同的要求,建筑方面的應用相對來說要局限性大一些,它只要求單幀的渲染效果和環境效果,只涉及到比較簡單的動畫;片頭動畫和視頻游戲應用中動畫占的比例很大,特別是視頻游戲對角色動畫的要求要高一些; 影視特效方面的應用則把3DS MAX的功能發揮到了極至.

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