W pogoni za realnością

Trójwymiarowa grafika komputerowa jest dziedziną, w której postęp jest efektem współdziałania artystów i informatyków.

Trójwymiarowa grafika komputerowa jest dziedziną, w której postęp jest efektem współdziałania artystów i informatyków.

Niezwykle szybki rozwój grafiki komputerowej jest możliwy dzięki stałemu wzrostowi mocy obliczeniowej komputerów oraz doskonaleniu dostępnych metod i algorytmów wizualizacji scen trójwymiarowych. Komputerowa grafika trójwymiarowa, niezależnie od tego, że stała się dziedziną sztuki, zawsze była zależna od dziedziny zwanej matematyką stosowaną. Kolorowe, przestrzenne obrazy, które możemy podziwiać na ekranach, są przecież efektem skomplikowanych, matematycznych operacji na zbiorach danych.

Żarłoczne przestrzenie

Tworzenie grafiki jest w stanie zagospodarować dowolną moc obliczeniową, parametrem jest bowiem jakość obrazu. Istnieje wprawdzie fizyczne ograniczenie możliwości percepcji zmysłu wzroku, ale do jego osiągnięcia przy tworzeniu fotorealistycznego filmu powstałego jako ciąg zmieniających się obrazów wciąż jest bardzo daleko.

Doskonalenie algorytmów i metod wizualizacji prowadzone jest raczej w kierunku uzyskiwania nowych efektów niźli skracania czasu niezbędnych obliczeń. Co charakterystyczne, przekraczanie kolejnych progów szybkości obliczeniowej i rozmiarów przetwarzanych danych pozwala sięgać po opublikowane już wcześniej algorytmy, których nie stosowano właśnie ze względu na niepraktycznie wysokie parametry złożoności obliczeniowej. Tak swego czasu było z najbardziej chyba znanym narzędziem służącym do tworzenia fotorealistycznych obrazów, czyli techniką śledzenia promieni (ray-tracing). Jeszcze 10 lat temu tworzenie obrazów za pomocą tej technologii wymagało angażowania wydajnych komputerów na dziesiątki, jeśli nie setki godzin. Dzisiaj są już dostępne rozwiązania sprzętowe pozwalające na działanie w czasie rzeczywistym. Podobnie metoda bilansu energetycznego, która wymaga rozwiązywania wielu układów równań liniowych, to dzisiaj klasyczny problem obliczeniowy realizowany w wielu dziedzinach. Co ciekawe, z uwagi na koszty do tworzenia grafiki coraz częściej zamiast specjalizowanych stacji roboczych stosuje się wydajne komputery PC.

"W trójwymiarowej grafice komputerowej - podobnie jak w informatyce - najważniejsze innowacje, o fundamentalnym znaczeniu dla rozwoju dziedziny, zostały opublikowane do początku lat 90. Później mieliśmy do czynienia z co prawda imponującym postępem, lecz raczej jednostajnym, pozbawionym wyraźnych przełomów" - uważa prof. Jan Zabrodzki, kierownik Zakładu Grafiki Komputerowej na Politechnice Warszawskiej.

Obrazy i inne miraże

Animacja modelu trójwymiarowego pasma górskiego K-2, którą ostatnio mogą śledzić telewidzowie w relacjach w TVP 1, powstała w efekcie nałożenia trójwymiarowego modelu terenu na tekstury uzyskane ze zdjęć satelitarnych (posłużono się siatką o rozdzielczości 10 m). Prezentację wykonano za pomocą programu GIS-owego Erdas (pakiety służące do animacji trójwymiarowej grafiki, niestety, na razie nie działają w geograficznym układzie współrzędnych). Podkład numerycznej siatki poziomnic został przygotowany przez firmę Geosystems Polska, natomiast całość została cyfrowo przetworzona przez Jacka Syryczyńskiego z TVPOd początku w grafice komputerowej celem było osiągnięcie tzw. fotorealizmu. W niektórych obszarach został on praktycznie zrealizowany, zaś nadal największym wyzwaniem pozostaje realistyczna symulacja obiektów naturalnych. "Nadal zwykła ludzka skóra to materiał, którego nie potrafimy na tyle dobrze zobrazować za pomocą komputera, by po dokładniejszym przyjrzeniu się nie dostrzec pewnej sztuczności" - mówi prof. Jan Zabrodzki. Trudności potęgują się, gdy do statycznego obrazu trzeba dodać oś czasu i ruch. Poruszanie się liści na wietrze, fale na wodzie to zjawiska sprawiające ogromne trudności w wizualizacji. Tutaj grafika komputerowa musi korzystać z osiągnięć innych, nieraz bardzo odległych dziedzin: fizyki, mechaniki, optyki, anatomii, stając się wiedzą interdyscyplinarną.

"Cel, do którego zmierzamy, w jakimś sensie ciągle nam ucieka. Zawsze jest coś, czego nie potrafimy, także za sprawą zmieniającego się medium prezentacji. Inne wyzwania dotyczyły prezentacji obrazów na ekranie dwuwymiarowym, na który trzeba było zrzutować obraz trójwymiarowy, znacznie większe wymagania stawiają przed nami techniki prezentacji przestrzennej" - mówi prof. Jan Zabrodzki.

Liczy się jednak efekt ostateczny, czyli obraz, nie zaś sposób dojścia do tego celu. Można zatem powiedzieć, że w grafice komputerowej cel uświęca środki. Często zatem stosuje się mniejsze czy większe oszustwa, iluzje, które dla ludzkiego oka wydadzą się naturalne. Korzysta się tu z niedoskonałości zmysłu wzroku. Często również wybiera się drogę na skróty. Skoro nie potrafimy wciąż poprawnie opisać motoryki ludzkiego ciała, to przecież możemy odtworzyć nagrany obraz poruszania się człowieka (to nagranie jest realizowane w procesie motion capure, gdy ciało ludzkie opasane sensorami kreśli rejestrowane przez system komputerowy trójwymiarowe trajektorie).