Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Факультет інформаційних технологій
Кафедра інтелектуальних технологій
РЕФЕРАТ
з дисципліни «Вступ до спеціальності»
на тему: «Ігрова і віртуальна графіка. Доповнена реальність»
Галузь знань: 12 «Інформаційні технології»
Спеціальність: 122 «Комп’ютерні науки»
Освітня програма «Комп’ютерні науки»
Виконав:
студент 1 курсу, групи КН-12 Кошулько Ярослав Олександрович
Керівник асистент Круглов О.І.
Засвідчую, що в цьому рефераті немає запозичень з
праць інших авторів без відповідних посилань
Студент _____________
(підпис)
Національна шкала _____________
Кількість балів: __________
Київ – 2022
ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………...3
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ………………………………………….3
ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ІГРОВОЇ ГРАФІКИ………………………4
Технології ігрової графіки. Скролінг……………………...5
4. ВИДИ ІГРОВОЇ ГРАФІКИ………………………………………..6
4.1. 2D - графіка. Її види…………………………………………6
4.2. 3D - графіка. Її види…………………………………………9
5. ПРОЦЕС СТВОРЕННЯ ГРАФІКИ ДЛЯ ІГОР………………….10
5.1 Моделювання……………………………………………….12
5.2 Текстурування………………………………………………13
5.3 Ріггінг………………………………………………………..14
5.4 Анімація……………………………………………………..14
5.5 Рендеринг……………………………………………………15
5.6 Композитинг………………………………………………...16
6. ДОПОВНЕНА РЕАЛЬНІСТЬ……………….……………………17
6.1 Засоби реалізації доповненої реальності………………….19
6.1.1 Маркерна технологія…………………………………19
6.1.2 Орієнтування за об’єктами оточення………………..20
6.1.3 Орієнтування по GPS…………………………………21
7. ВИСНОВКИ………………………………………………………..22
8. СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………23
1.ВСТУП
Представлення даних на моніторі комп'ютера в графічному вигляді вперше було реалізовано в середині 50-х років на великих електронно обчислювальних машинах, що застосовувалися в наукових і військових дослідженнях. З тих пір графічний спосіб відображення даних став невід'ємною приналежністю переважної числа комп'ютерних систем, особливо персональних. Графічний інтерфейс користувача сьогодні є стандартом "де-факто" для програмного забезпечення різних класів, починаючи з операційних систем.
В даний час ігрова графіка вийшла на зовсім інший рівень. Якщо на початку програмісти лише заради експериментів намагалися вивести на екран символи, а потім змогли отримувати цілі картинки; то зараз збільшення потужностей відеочіпів вистачає навіть на відтворення віртуальної та доповненої реальностей.
2.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ
Мета роботи: детальне вивчення сутності та розвитку ігрової та віртуальної графіки, доповненої реальності.
Предмет вивчення: історія та розвиток комп’ютерної графіки, доповнена реальність.
Актуальність роботи полягає в тому, що в наші дні комп’ютерна графіка продовжує стрімко розвиватись та стає все більш реалістичною.
Завдання роботи:
Дослідити поняття ігрової графіки;
Дослідити створення комп’ютерної графіки для ігор;
Дослідити суть доповненої реальності;
3. ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ІГРОВОЇ ГРАФІКИ
Комп'ютерна графіка — це розділ комп'ютерних наук, що вивчає методи цифрового синтезу та обробки візуального контенту.
Концепт-арт — напрям у мистецтві, призначений для того, щоб візуально передати ідею твору, але не форму чи зовнішні атрибути
Ігрова графіка — поняття, що поєднує в собі концепт-арт та комп’ютерну графіку.
Ігрова графіка, за мірками розвитку комп'ютерних технологій, має давню історію. Початком розвитку графіки у відеоіграх можна вважати виведення на екран пікселів. Першим успіхом розвитку цієї галузі можна вважати аркадну гру Pong (рис.3.1), випущену компанією Atari у 1972 році. Це перша комерційно успішна відеогра, з якою пов'язують появу індустрії інтерактивних розваг.
Рисунок 3.1 – Аркада «Pong»
Згодом усі зрозуміли, що потрібно збільшувати комп'ютерні потужності для досягнення кращої графіки. Першою метою стояла поява кольорової графіки. Але поки технології не дозволяли зробити цього, але деякі намагалися викрутитися, так в 1977 з'явилася аркадна гра Boot Hill (рис.3.2), випущена компанією Midway. Поверх чорного екрану кріпився напівпрозорий пластиковий лист, що надавало грі хоч трохи кольору.
Рисунок 3.2 – Гра «Boot Hill»
Так, коли технології дозволили використовувати кольори, однією з чудових ігор стала Galaxian, випущена в 1979 компанією Namco. По суті, це був той самий Space Invader 1978 року, але з прикрашеними кораблями, що вільно літали екраном. А до 1980 року кольорова графіка стала нормою і уявити зараз Pac-Man (рис.3.3) без різнобарвних привидів та жовтого головного героя неможливо.
Рисунок 3.3 – Гра «Pac-man»
3.1. Технології ігрової графіки. Скролінг.
Скролінг – перша технологія Super Speed Race (рис.3.4), розроблена Midway в 1979 році. Оскільки більшість ігор являли собою одне нерухоме поле, розробникам хотілося чогось нового, але обмежених обчислювальних потужностей не вистачало на щось серйозне. Так у цій аркаді з'явилося імітація руху вперед, що працює за рахунок постійно повторюється картинки, що рухається зверху вниз. Завдяки цьому задуму було підготовлено цілу базу для всіх ігор-скролерів.
Рисунок 3.4 – Гра «Super Speed Race», перша гра з технологією скролінга
Растрове зображення — зображення, яке являє собою сітку (растр), зазвичай прямокутну, пікселів відображених на моніторі, папері та інших відображальних пристроях і матеріалах.
Спрайт — графічний об'єкт у комп'ютерній графіці, найчастіше – растрове зображення, яке можна відобразити на екрані.
Ще одним видом імітації 3D є масштабування спрайтів. Одним із прикладів можна навести аркаду Radar Scope від компанії Nintendo, 1979 рік. Також через 6 років почалася нова ера відеоігор, що вийшла Hang-On від Sega в 1985 році, завдяки відпрацьованій технології супер масштабування та високої чистоти кадрів, вона залишила всі відеоігри далеко позаду.
4. ВИДИ ІГРОВОЇ ГРАФІКИ
4.1. 2D – графіка. Її види.
2D - графіка - це тип комп'ютерної графіки, у якій використовується тільки два виміри: ширина та висота, тому зображення завжди буде виглядати плоским. Єдиний спосіб додати об’єм – правильне використання тіней.
2D графіка включає:
PixelArt - тип комп'ютерної графіки, у якому всі зображення складаються з пікселів, точок на екрані у вигляді квадрата. Саме зображення настільки мале, що видно, самі пікселі (рис.4.1).
Рисунок 4.1 – Приклад гри у стилі PixelArt
FlatDesign - тип графіки в іграх, прямо протилежний pixelart. В першу чергу встає мінімалістичний підхід до графіки, і ставка зроблена на комфорт користувача. Всі зображення в цьому стилі округлені і не несуть абсолютно ніяких ефектів (рис.4.2).
Рисунок 4.2 - Приклад гри у стилі FlatDesign
FlashDesign - також варто згадувати стиль графіки у стилі Flash. Який не має чітких рамок і принципів для малювання, проте є зображеннями намальованими як мультик (рис.4.3).
Рисунок 4.3 - Приклад гри у стилі FlashDesign
4.2. 3D – графіка. Її види.
3D - графіка - це особливий вид комп'ютерної графіки - комплекс методів та інструментів, які застосовуються для створення зображень 3д-об'єктів (тривимірних об'єктів).
Сплайн – в 3D-графіці – це тривимірна крива
3Д-зображення не складно відрізнити від двовимірного, оскільки воно включає створення геометричної проекції 3D-моделі сцени на площину за допомогою спеціалізованих програмних продуктів. Модель, що виходить, може бути об'єктом з реальної дійсності, наприклад модель будинку, автомобіля, комети, або ж бути абсолютно абстрактною. Процес побудови такої тривимірної моделі отримав назву 3D моделювання і спрямований, перш за все, на створення візуального об'ємного образу об'єкта, що моделюється.
Існує кілька способів 3D-моделювання:
Полігональне;
Сплайнове;
NURBS;
Комплексне.
Полігональне моделювання - це вид 3Д моделювання, який з'явився в той час, коли для визначення місцезнаходження точки необхідно було вручну вводити її координати по осях X, Y, Z. Якщо три точки координат задати як вершини і з'єднати їх ребрами, то вийде трикутник, який у 3Д моделюванні називають полігоном (рис. 4.4).
Рисунок 4.4 - Полігон
Сплайнове моделювання – це вид 3Д моделювання, у якому модель створюється з допомогою сплайнів. Лінії сплайнів задаються тривимірним набором контрольних точок у просторі, які визначають гладкість кривої. Усі сплайни зводяться до сплайнового каркаса, на основі якого вже буде створюватися трикутна геометрична поверхня, що обгинає.
NURBS моделювання або технологія Non-UniformRational B-Spline – це технологія неоднорідних раціональних В-сплайнів, створення плавних форм і моделей, які не мають гострих країв, як у полігональних моделей. Саме через цю відмінну рису технологію NURBS застосовують для побудови органічних моделей і об'єктів (рослин, тварин, людей). Point криві управляються вершинами, що знаходяться безпосередньо на самій лінії або об'єкті, а ControlVertex криві управляються точками, що лежать за межами лінії або об'єкта.
Комплесне моделювання – технологія моделювання, при якій використовуються два або всі типи моделювання.
5. ПРОЦЕС СТВОРЕННЯ ГРАФІКИ ДЛЯ ІГОР
Одним з головних факторів створення гри є візуалізація ідеї за допомогою графіки. У кожній грі використовуються як 3D моделі, так і 2D спрайти.
Гра – це інтерактивна взаємодія людини та віртуального світу.
Моделювання – створення тривимірних об'єктів.
Текстурування – накладання текстур та матеріалів на 3D-моделі.
Риггінг – створення віртуального «скелета»
Анімація – «оживлення», анімація тривимірного персонажа.
Рендеринг – візуалізація створеної графіки та запису.
Композитинг - об'єднання окремих частин у фінальну сцену, інтегрування 3D сцен у знімальний матеріал, корекція кольору і додавання ефектів. Існує багато програм для 3D моделювання та візуалізації. Всі дії будемо розглядати на прикладі моєї 3D-моделі, створеної в безкоштовній для користування програмі «Blender»
Основні етапи створення та візуалізації 3D-моделей
Моделювання;
Текстурування;
Риггінг;
Анімація;
Рендеринг;
Композитинг;
5.1 Моделювання
Йдеться про створення тривимірної геометричної моделі, не враховуючи фізичних властивостей об'єкта.
Як прийоми використовується:
Видавлювання;
Модифікатори;
Полігональне моделювання;
Обертання.
Рисунок 5.1 – 3D-модель робота BD-1 з гри
«Star Wars Jedi: Fallen Order» у solid та wireframe вигляді.
5.2 Текстурування
Створюється текстурна розгортка (UV-розгортка) – двомірне зображення, що містить поверхню моделі. UV-розгортки потрібні для того, щоб текстура ідеально лягла на модель і не було жодних помилок.
Далі малюються текстури та прив'язуються до моделі. Створюється цілий набір текстур: колір, карта нерівностей (bump), карта нормалей (normal map – робить видимість рельєфу), карта рельєфу (displacement – робить реальний рельєф), карта відблисків (specular), карта прозорості (alpha) та багато інших . Так створюється візуальний образ моделі чи персонажа: від одягу та волосся до зморшок. Створювати текстурні розгортки та текстури можна у тих самих програмах, що й моделі.
Рисунок 5.2 – 3D-модель робота з накладеними текстурами
5.3 Ріггінг
Ригг інг – створення «скелета», кісток моделі. Займаються цим у кіно та game-індустрії художники з оснастки моделі, сетапери. Ще їх називають skinning, rigging artist. Сетапери створюють кістки та засоби (контролери) для управління цими кістками, за допомогою яких аніматори можуть оживити модель.
Рисунок 5.3 – Модель з «кістками»
5.4 Анімація
Найпростішим методом анімації персонажів є анімація за ключовими кадрами (Keyframes). Аніматор вказує положення персонажа у початковому та кінцевому кадрах руху, а положення у проміжних кадрах обчислюється програмою. Це простий у реалізації спосіб, але досить трудомісткий для створення складних рухів і потребує більшого вміння аніматора, щоб отримати реалістичність персонажа.
Існує ще процедурна анімація, за якої використовується спеціальна програма управління персонажем.
5.5 Рендеринг
Завершальний етап – підсумкова візуалізація (rendering) отриманих сцен.
Існує два види рендерингу:
рендеринг у реальному часі;
рендеринг не в реальному часі чи пре-рендеринг.
У комп'ютерних іграх використовується рендеринг реального часу. Реакції на дії гравця відбуваються моментально. Світло, колір та тіні формуються за допомогою раніше прорахованих карт та текстур, а об'єкти перспективно проектуються на екран. Щоб якість графіки при цьому не постраждала, часто часто використовуються 3D прискорювачі. Головний критерій у грі – швидкість виконання прорахунку.
Рисунок 5.4 – Процес рендеру не в реальному часі
5.6 Композитинг
Композитинг є важливим завершальним етапом постпродакшену.
Композер поєднує всі частини в єдине ціле, інтегрує у знімальний матеріал тривимірні персонажі та інші 3D елементи, усуває недоліки та прибирає зайве, працює над різними ефектами. Одним словом, створює одну реалістичну сцену. Композер є відповідальним за фінальний продукт – фільм, гру.
Рисунок 5.5 – Процес композитингу
6. ДОПОВНЕНА РЕАЛЬНІСТЬ
Доповнена реальність (augmented reality, AR, доповнена реальність) - результат введення в поле сприйняття будь-яких сенсорних даних з метою доповнення відомостей про оточення і поліпшення сприйняття інформації.
Доповнена реальність - це система, яка поєднує картину реального світу з об’єктами, створеними комп’ютером.
Накладення додаткових елементів на зображення з камери повинно здійснюватися в режимі реального часу, бути інтерактивним та забезпечувати вільний рух користувача у трьох вимірах. До загальновживаних засобів доповненої реальності належать фільтри у Snapchat та Instagram: вони додають до фотографій різні ефекти (елементи гардеробу, макіяж), можуть значно змінити людину або її оточення. Pokemon Go – відомий приклад мобільної гри з використанням доповненої реальності (6.1).
Рис. 6.1
AR – найбільш розповсюджена технологія з сфері розширеної реальності тому, що вона споживає відносно мало обчислювальних ресурсів і підходить для різної персональної мобільної техніки. Розширена реальність не повинна обмежуватися лише зображеннями. Реальний світ можна збагатити звуком та навіть запахом. Існує багато сфер, де цю реальність можна використовувати. Завдяки відповідній технології пілоти літаків можуть використовувати проекції на склі кабіни, щоб «бачити» місцевість навіть у тумані. Доповненою реальністю можуть скористатися також туристи, які подорожують в іноземному місті в пошуках напрямків до місця призначення.
6.1 Засоби реалізації доповненої реальності
6.1.1 Маркерна технологія
Найпростішим і найбільш доступним для більшості смартфонів варіантом орієнтування у просторі залишається доповнена реальність з орієнтацією на мітку (маркер) (рис. 6.1.1). Але і тут є моменти, які можуть перешкодити стабільній роботі. У самій мітці важливе чітке відображення межі ліній і контрастність зображення. Негативно може вплинути якість друку, якщо після друку картинка виглядає не так, як в електронному форматі. Також важлива якість камери телефону і те, як вона реагує на зміну освітленості: наприклад, при штучному освітленні все може працювати відмінно, але варто винести мітку на вулицю, або ще гірше, вночі - і телефон вже «не впізнає» картинку. Такі ж проблеми можуть виникати в затемнених приміщеннях і при перемиканні освітлення
Рисунок 6.1.1
6.1.2 Орієнтування за об’єктами оточення
На пристроях ARCore і ARKit заявлений трекінг будь-яких поверхонь. На практиці добре відстежується підлога і горизонтальні поверхні, що знаходяться знизу відносно телефону (наприклад, поверхня стола). Стіни більш-менш відслідковуються тільки пристроями від 2018 року. Відстежити стелю на деяких пристроях взагалі не представляється можливим. Тому для предметів, які потрібно розмістити на стінах і стелі, рекомендуємо використовувати як і раніше мітки. Робота з розподілом предметів на підлозі або на столі вже не викликає ніяких труднощів. (рис. 6.1.2).
При цьому варто зазначити, що робота алгоритму «на вулиці» залежить від різних умов: на рівних дорожніх покриттях або на підстриженому газоні відстеження працює не гірше, ніж в приміщенні. Проте у тих випадках, коли поверхня землі не є рівною, то результат може бути різним в залежності від конкретного місця та пристрою.
Рисунок 6.1.2 – Орієнтація відносно горизонтальних поверхонь
6.1.3 Орієнтування по GPS
Відомо, що точність GPS-трекінгу в кращому випадку складає приблизно 5 метрів. Відповідно, про розстановку віртуальних предметів в реальності при орієнтуванні на данні GPS мови бути не може. Те, що ми можемо з GPS - це давати доступ до певного контенту при наближенні до ключової точки (наприклад, при наближенні до магазину давати пуш-повідомлення або запускати пошук мітки на екрані телефону, і по ній вже запускати AR-ефект). Саме так працює з GPS гра Pokemon Go: при наближенні до певного місця з’являється можливість зловити покемона.
Рисунок 6.1.3 – Приклад GPS-трекінгу
7. ВИСНОВКИ
Отже, за всю свою історію вдосконалення ігрова графіка досягла небувалих висот. 2D та 3D графіка використовується у всіх напрямках від моделювання до дизайну. Маючи різні способи представлення графіки від красивих растрових зображень зі своєю реалістичністю до векторних зображень зі своїми контурними лініями. Людство пройшло довгий шлях від піксельних ігор до занурення у доповнену реальність.
Вважаю, що дана тема є актуальною і донині, адже розвиток у цій галузі йде швидким кроком і поява нових технологій є тому підтвердження. Використання графіки не обмежується створенням комп’ютерних ігор, воно витіка далеко за межі цього реферату.
У процесі виконання реферату я:
Дослідив поняття ігрової графіки;
Дослідив створення комп’ютерної графіки для ігор та зокрема створення 3D-моделі;
Дослідив суть доповненої реальності.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
Статті з Вікіпедії (https://uk.wikipedia.org/).
Інтернет-джерело «Evkova» (evkova.org)
Інтернет-джерело (http://blitz-3d.narod.ru/teoria/zalc/glava10/)
Інтернет-джерело (https://vc.ru/future/44433-hronologiya-kak-razvivalas-virtualnaya-dopolnennaya-i-smeshannaya-realnosti)
Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. 3-е изд. Стандарт третьего поколения. — СПб.: Питер, 2011. — 640 с.: ил.
Шикин Е. В., Боресков А. В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. - М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 1996. 288 с.
Абдуллина Г. Процесс создания 3D-графики в фильмах и играх [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://videosmile.ru/lessons/read/protsess-sozdaniya-3d-grafiki-v-filmah-i-igrah.html
Сайт електронної енциклопедії [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/transport_i_svyaz/VIRTUALNAYA_REALNOST.html
Сайт електронної бібліотеки [Електронний ресурс]: Електронна бібліотека. - Режим доступу: http://www.bibliotekar.ru