3D grafika - animace a rendering

Animace
Pod pojmem „animace“ se ve 3D grafice nerozumí pouze samotný pohyb objektů, ale i definice zdrojů světla, úhlu pohledu kamery, barev a dalších prvků, které se mohou měnit v čase. Nejjednodušší metoda animace zvaná keyframing je založená na stejném principu jako klasická 2D počítačová animace. Spočívá v definování klíčových „mezních“ pozic, mezi kterými potom počítač vytvoří plynulý přechod.
Animace postav a mechanických zařízení je ve 3D grafice často založena na animaci kostry modelu. Stejně jako skutečný živý organismus i 3D model má kostru a jednotlivým částem modelu se určí, ke které kosti náleží. Pokročilé 3D grafické nástroje usnadňují animaci kostry díky technice zvané inverzní kinematika^[4]. Na rozdíl od klasické animace kostry, kdy animátor určuje úhly všech kloubů, stačí při použití inverzní kinematiky určit pozici několika klíčových částí kostry a polohy kloubů jsou dopočítány algoritmicky.
Existuje mnoho dalších technik animace, které se využívají ve 3D grafice. Některé programy umožňují animaci na základě simulace fyzikálních jevů jako je gravitace, pohyb vodní hladiny a podobně. Pro velmi realistickou animaci postav se zase využívá technologie motion capture, kdy je pomocí speciálního zařízení zachycen pohyb živého herce a nahraná data jsou potom aplikována na 3D model postavy.

Rendering
Rendering je vykreslení dvourozměrného obrazu na základě modelu scény a dalších informací (polohy pozorovatele, textur, osvětlení a stínování). Simulují se zejména tyto vlastnosti obrazu:

• Stínování – kolísání barvy a jasu povrchu v závislosti na osvětlení
• Texturování – dodání realistického vzhledu povrchu modelu
• Bump mapping – metoda napodobující drobné nerovnosti povrchu
• Mlha – tlumení světla při průchodu atmosférou
• Stíny – důsledek zakrytí zdroje světla jiným objektem
• Měkké stíny – různé úrovně osvětlení způsobené částečně zakrytými světelnými zdroji
• Odraz světla – zrcadlové nebo velmi lesklé reflexe
• Průhlednost – šíření světla skrze objekty bez zkreslení
• Průsvitnost – šíření světla skrze objekty se zkreslením
• Refrakce – ohyb světla spojený se šířením světla skrze objekty
• Difrakce – ohyb, šíření a interference paprsků na hranách objektů
• Nepřímé osvětlení – plochy, které jsou osvětleny odrazy z jiných ploch, nikoli přímo od zdroje světla
• Kaustika – forma nepřímého osvětlení, světelné paprsky odražené nebo lomené nějakým objektem
• Hloubka ostrosti – objekty vzdálené od objektu v centru pozornosti se jeví nezaostřené
• Pohybové rozostření – rychle pohybující se objekty se jeví rozmazané
• Nefotorealistické zobrazování – vykreslování scény v uměleckém stylu, který má připomínat malování nebo kreslení

Pro realistický vzhled scény je potřeba simulovat především šíření a rozptyl světla v celé scéně (globální osvětlení). Dva nejznámější algoritmy jsou sledování paprsku a radiozita.

• Sledování paprsku je metoda založená na zpětném sledování paprsku vycházejícího z oka pozorovatele a jeho kolizí s tělesy ve scéně. Dobře simuluje ostré stíny, zrcadlové odrazy (i vícenásobné) a průhledné objekty. Algoritmus neposkytuje fotorealistický výstup a příliš se nehodí pro simulaci v reálném čase.

• Radiozita je metoda využívající fyzikální zákony o šíření energie v prostoru. Je vhodná k simulování nepřímého (odraženého) osvětlení ve scéně s matnými povrchy. Nedokáže pracovat s průhlednými objekty a zrcadly. Scéna musí být reprezentována polygonálním modelem.

Součástí fáze renderování je projekce ze tří do dvou rozměrů.