Виды компьютерной графики: классификация и особенности

Компьютерная графика - это обширная область, включающая создание изображений и визуальных эффектов с помощью компьютеров. Существует множество разных видов компьютерной графики, каждый из которых имеет свои особенности и сферы применения. Давайте разберемся в основных видах компьютерной графики и их классификации.

Двумерная и трехмерная графика

Первым критерием классификации компьютерной графики является размерность - двумерная (2D) и трехмерная (3D).

Двумерная графика оперирует объектами на плоскости, имеющими只 две координаты X и Y. К двумерной графике относятся растровые изображения, векторные рисунки, текст и пр.

Трехмерная графика создает объекты, существующие в трехмерном пространстве, имеющие координаты X, Y и Z. 3D-графика позволяет создавать реалистичные модели и сцены, анимацию.

Исторически двумерная графика появилась раньше, в 1950-60-х годах. А трехмерная начала активно развиваться с 1970-80-х годов по мере совершенствования компьютерных технологий.

Основные области использования 2D-графики - дизайн, полиграфия, веб. С помощью нее создают логотипы, иллюстрации, макеты, сайты. Двумерная графика применяется в офисных приложениях для создания схем, диаграмм, презентаций.

Трехмерная графика используется там, где требуется реалистичное изображение объемных объектов - в анимации, кино, компьютерных играх, архитектурном проектировании.

Растровая и векторная графика

Следующий критерий классификации - способ представления изображений: растровый или векторный.

В растровой графике изображение представлено в виде прямоугольной сетки пикселей. Каждому пикселю присваивается цвет. Форматы растровых изображений: JPEG, PNG, GIF.

Преимущества растровой графики:

• Позволяет создавать фотореалистичные изображения.
• Проста в использовании.

Недостатки растровой графики:

• При увеличении теряется четкость из-за видимости пикселей.
• Требует больших объемов памяти для хранения.

Векторная графика представляет изображение в виде набора геометрических примитивов - линий, кривых, многоугольников. Форматы векторных изображений: SVG, EPS, AI.

Преимущества векторной графики:

• Масштабируется без потери качества.
• Компактный размер файлов.

Недостатки векторной графики:

• Сложность создания фотореалистичных изображений.
• Требует больших вычислительных ресурсов для визуализации.

Растровая графика чаще используется в цифровой фотографии, веб-дизайне. Векторная - для создания логотипов, диаграмм, технических иллюстраций.

Полигональная графика

Полигональная графика - один из основных методов создания 3D-изображений.

В полигональной графике объекты представлены в виде совокупности соединенных полигонов (чаще всего треугольников). Из этих полигонов формируется "каркас" объекта.

Преимущества полигональной графики:

• Возможность создания сложных объектов произвольной формы.
• Хорошая масштабируемость.

Недостатки:

• Большие затраты вычислительных ресурсов при визуализации.
• Сложность достижения фотореализма.

Полигональная графика широко используется в компьютерных играх, кино, анимации. Она позволяет эффективно создавать и визуализировать сложные трехмерные сцены и объекты.

Фрактальная графика

Фрактальная графика основана на использовании фракталов - объектов, обладающих свойством самоподобия, когда часть объекта подобна целому.

В фрактальной графике изображение кодируется набором математических уравнений, описывающих правила генерации фрактала. Это позволяет эффективно сжимать изображения.

Преимущества фрактальной графики:

• Высокая степень сжатия данных.
• Возможность генерации реалистичных природных ландшафтов.

Недостатки:

• Сложность создания произвольных изображений.
• Большие вычислительные затраты на обработку.

Области применения фрактальной графики - сжатие изображений, создание ландшафтов и текстур в компьютерных играх.

Воксельная графика

Воксельная (пиксельная объемная) графика представляет трехмерные объекты и сцены в виде регулярной сетки элементарных объемных ячеек - вокселей.

Каждому вокселю присваиваются свойства - цвет, прозрачность, материал. Из них формируются объемные модели.

Преимущества воксельной графики:

• Простота создания и редактирования объектов.
• Легкость интеграции с растровыми данными.

Недостатки:

• Большой объем данных для хранения сцен.
• Сложность работы с объектами произвольной формы.

Воксельная графика используется в медицинской визуализации, геоинформационных системах, для создания ландшафтов.

Технологии визуализации

Существует множество технологий, используемых для визуализации трехмерных сцен и объектов, созданных средствами компьютерной графики:

• Трассировка лучей
• Растеризация
• Затенение (шейдинг)
• Текстурирование
• Карты нормалей
• Рельефное текстурирование
• Глобальное освещение

Эти методы позволяют симулировать реалистичное поведение света в виртуальных сценах, имитировать различные материалы и фактуры поверхностей.

С течением времени технологии визуализации совершенствуются, позволяя добиваться все большего фотореализма. Перспективными направлениями являются методы, учитывающие физику света и материалов.

Цветовые модели

Для представления и хранения цвета в компьютерной графике используются различные цветовые модели:

• RGB (красный, зеленый, синий)
• CMYK (голубой, пурпурный, желтый, черный)
• HSV (оттенок, насыщенность, значение)
• CIE XYZ

Модель выбирается исходя из особенностей устройства вывода - монитора или принтера. Для передачи расширенного цветового охвата используются модели с 4-16 компонентами.

Компьютерная анимация

Компьютерная анимация позволяет создавать движущиеся изображения и эффекты. Основные типы компьютерной анимации:

• Покадровая
• Ключевых кадров
• Скелетная
• Динамики частиц

В покадровой анимации художник прорисовывает каждый кадр вручную. Ключевых кадров - задаются основные позы, а промежуточные генерируются автоматически.

Исторически первой была покадровая анимация. С развитием технологий стали применять прочие более эффективные подходы. Современная анимация опирается на комплекс методов в зависимости от требуемого результата.

Графика в играх

Компьютерные игры активно используют возможности современной трехмерной графики. Для создания игр применяются:

• Игровые движки
• Полигональное 3D-моделирование
• Текстурирование и шейдеры
• Физически-базированный рендеринг

Графика в играх постоянно совершенствуется. Современные игры с трехмерной графикой приближаются к фотореализму. Перспективы развития связаны с ростом производительности компьютеров.

Графика в кино

Компьютерная графика активно применяется при создании спецэффектов для кино. Основные направления использования:

• Создание виртуальных декораций и фонов
• Анимация персонажей и существ
• Симуляция разрушений и стихийных эффектов
• Композитинг и цветокоррекция

Уровень применяемых технологий CGI в кино постоянно растет. Часто используются те же подходы, что и в создании современных игр. Развитие идет в направлении большего реализма и удешевления производства.

Прикладное использование графики

Помимо развлекательной индустрии, компьютерная графика находит применение в различных областях:

• Научная визуализация данных
• Медицинская графика
• Архитектурный дизайн
• САПР и инженерия
• Реклама и СМИ

Компьютерная графика используется везде, где требуется визуализировать данные и процессы - от проектирования автомобилей до анализа медицинских снимков. Совершенствование технологий открывает для нее все новые области применения.

Тенденции развития графики в играх

Среди основных тенденций развития компьютерной графики в играх можно выделить:

• Повышение детализации и реализма за счет увеличения вычислительных мощностей
• Использование физически-базированного рендеринга для максимально правдоподобного освещения и материалов
• Применение методов генерации контента (процедурной генерации) для создания обширных игровых миров
• Интеграция технологий дополненной реальности
• Переход на микросервисные архитектуры и облачные технологии

Графика в играх становится одним из ключевых факторов конкурентного преимущества. Это стимулирует производителей постоянно совершенствовать используемые технологии и повышать планку качества визуализации.

Тенденции CGI в киноиндустрии

Основные тенденции применения CGI в кинематографе:

• Снижение стоимости создания high-end графики
• Активное использование технологий захвата движения
• Развитие инструментов для фотореалистичного освещения и рендеринга
• Применение искусственного интеллекта для генерации контента
• Создание виртуальных актеров и дигитальных двойников

CGI позволяет удешевить и упростить съемочный процесс. Ожидается дальнейшая интеграция технологий захвата движения, рендеринга и ИИ для создания реалистичного экранного контента.

Перспективы применения графики в медицине

Активно развивающиеся направления использования компьютерной графики в медицине:

• Трехмерная визуализация медицинских данных
• Дополненная реальность в хирургии
• Моделирование хирургических операций и планирование лечения
• Симуляция работы органов и систем организма
• Создание виртуальных пациентов на основе ИИ

CGI помогает врачам лучше анализировать данные исследований, проводить операции, моделировать лечение. Дальнейшее развитие технологий откроет новые возможности визуализации и симуляции в медицине.

AR/VR технологии

Технологии дополненной (AR) и виртуальной (VR) реальности активно используют возможности современной компьютерной графики:

• Моделирование VR сред с фотореалистичной графикой
• Трекинг объектов и визуализация данных в AR
• Интеграция CGI элементов в реальные сцены
• Симуляция взаимодействия в виртуальном пространстве

Развитие AR/VR напрямую связано с прогрессом в области компьютерного 3D моделирования и визуализации. Эти технологии будут и дальше стимулировать совершенствование графических решений.