3D

2015-12-04 13:27:52
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3D是英文“Three Dimensions”的简称,中文是指三维、三个维度、三个坐标,即有长、宽、高。今天的3D,主要特指是基于电脑/互联网的数字化的3D/三维/立体技术,也就是三维数字化。包括3D软件技术和硬件技术。

3D


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3D是英文“Three Dimensions”的简称,中文是指三维、三个维度、三个坐标,即有长、宽、高。今天的3D,主要特指是基于电脑/互联网的数字化的3D/三维/立体技术,也就是三维数字化。包括3D软件技术和硬件技术。


1 简介


概括


中文是指三维、三个维度、三个坐标,即有长、有宽、有高,换句话说,我们本来就生活在四维的立体空间中(加一个时间维),我们的眼睛和身体感知到的这个世界都是三维立体的(时间是虚构的),并且具有丰富的色彩、光泽、表面、材质等等外观质感,以及巧妙而错综复杂的内部结构和时空动态的运动关系;我们对这世界的任何发现和创造的原始冲动都是三维的。


电脑的发明和快速普及,伴随互联网的飞速延伸,迅速地改变和还原了这一切,深刻地改写着我们的生活方式/消费方式和工作方式/生产方式……基于电脑和互联网的三维数字化技术,终于使人们对现实三维世界的认识重新回归到了原始的直观立体的境界。无论在虚拟的网络上还是在现实的生活中,从大到飞机、轮船、汽车、电站、大厦、楼宇、桥梁,小到生活中的每一个小小的工业产品,到处都能见到电脑制作的数字化的3D模型、动画与仿真。这不仅是“2D/平面”到“3D/立体”的优美转身!更是2D平面时代到3D数字化时代的一场深刻革命。


今天我们讲的3D,主要特指是基于电脑/互联网的数字化的3D/三维/立体,既可以是动词、是名词,又可以是形容词、是状态副词,就也就是三维数字化。


3D或者说三维数字化技术,是基于电脑/网络/数字化平台的现代工具性基础共用技术,包括3D软件的开发技术、3D硬件的开发技术,以及3D软件、3D硬件与其他软件硬件数字化平台/设备相结合在不同行业和不同需求上的应用技术。


发展随着近些年来电脑技术的快速发展,3D技术的研发与应用已经走过了几十年的前期摸索阶段,技术的成熟度、完善度、易用性、人性化、经济性等,都已经取得了巨大的突破;随着电脑网络应用的快速普及,就3D应用而言,更是成为了普通大专学生轻松驾驭的基本电脑工具,像电脑打字一样;3D的消费和使用,如通过3D技术做出来的游戏、电影、大厦、汽车、手机、服装等等,更已经成为了普通大众工作和生活中的一部分。


旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家。3D就在每个人的身边,人人都可以享用3D,3D让我们回归一个看似虚拟但却是真实的立体世界。


3D技术及其应用


3D技术是推进工业化与信息化“两化”融合的发动机,是促进产业升级和自主创新的推动力,是工业界与文化创意产业广泛应用的基础性、战略性工具技术,嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程,包括工业设计、工程设计、模具设计、数控编程、仿真分析、虚拟现实、展览展示、影视动漫、地产宣传片、3D立体画、电子楼书、教育训练等,是各国争夺行业至高点的竞争焦点。


3D技术的应用经过多年的快速发展与广泛应用,当前3D技术得到了显著的成熟与普及;一个以3D取代2D、“立体”取代“平面”、“虚拟”模拟“现实”的3D浪朝正在各个领域迅猛掀起。


3D技术的应用普及,有面向影视动画、动漫、游戏等视觉表现类的文化艺术类产品的开发和制作,有面向汽车、飞机、家电、家具等实物物质产品的设计和生产,也有面向人与环境交互的虚拟现实的仿真和摸拟等。具体讲包括:3D软件行业、3D硬件行业、数字娱乐行业、制造业、 建筑业、 虚拟现实、地理信息GIS、3D互联网等等。


统计表明,在现代工业产品开发生产过程中,70%错误在设计阶段已经产生,而80%的错误往往在生产或是更后续的阶段才被发现并进行修正。3D的突出优势在于能最大化的对产品进行仿真设计和用户沟通,尽可能早地将错误和需求变更解决在设计阶段,使产品开发周期缩短、生产成本降低,提升企业市场竞争优势。


在西方发达国家,3D已成为产品设计、制造、管理、市场、服务、消费等的创新基础和新的竞争高地;而掌握最前沿3D技术,也为他们把控产业链、获取巨额利润提供了依托。当前全球近80%的飞机与50%的汽车,使用法国达索系统的3D软件设计制造;欧特克更是在3D数字娱乐等众多领域引领全球创新走向;


欲善其事,先利其器。作为信息化条件下新的基本“语言”、“工具”和“平台”,3D技术的研发与应用关系着中国产业结构的提升,以及在下一波世界竞争中占据怎样的位置。没有3D技术与人才的支撑,产业升级、自主创新、文化软实力打造等将无从做起,“中国创造”将成为一句空话。把3D技术渗透到工业化与信息化“两化融合”的实践中,渗透到文化创意产业创新发展的实践中,渗透到新一代创新型实用人才培养的实践中,渗透到持续推动自主创新的进程中,不仅是技术能力建设,更是国家创新能力与文化软实力建设上台阶的重要基础。


2 3D打印


3D打印技术,是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。


我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连 接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备, 比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨 打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。


首款3D打印笔


3D打印并非新鲜事,然而由于3D打印机的价格高昂,所以大部分人只“听闻过”这种新玩意,却从未有机会亲身感受。美国一家公司推出价格只需3D打印机十分一的3D打印笔,期望这种新玩意能走入千家万户。


3D打印笔名为“3Doodler”,由美国波士顿WobbleWorks公司硏发。该产品目前正在科技集资网站Kickstarter筹募资金,原本的集资目标是三万美元,但由于产品意念新颖而广受欢迎,至今集资额已达四十一万美元。


3D硬件产品

3D笔记本

3D打印机

3D扫描仪

3D电视

3D手机

3D相机

3D投影仪

3D彩超

工作站

图形显卡

GPU 立体眼镜

3D眼镜

裸眼3D技术

3D-Led

头盔显示器

三维空间跟踪定位器

数据手套

三维空间交互球

多通道环幕


3 3D全息投影


3D全息投影是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体 真实的三维图像,是一种无需配戴眼镜的3D技术,观众可以看到立体的虚拟人物。这项技术在一些博物馆应用较多。3S动漫正是以这种全新的事物改变着人们对那些传统舞台的声光电技术的审美态度。适用范围产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互动、酒吧娱乐、场所互动投影等。3D全息立体投影设备不是利用数码技术实现的,而是投影设备将不同角度影像投影至进口的MP全息投影膜上,让你看不到不属于你自身角度的其他图像,因而实现了真正的3D全息立体影像。


4 3D游戏


3D游戏是一个十分笼统的概念,只要有立体感的游戏都是叫做3D游戏,其实从概念上来讲,3D游戏就是三维游戏,既是在游戏中使用3D模型来制作人物、场景等物体。使玩家可以在游戏中体会到长宽高三种度量,让玩家可以360度旋转视角,从各个角度来进行游戏。这大大增加的游戏的自由度、趣味度及真实性。目前3D游戏已经成为了时下最主流的游戏类型。当前也出现了一种2D+3D 的伪3D,也被成为2.5D的技术,其实就是通过2D与3D技术的结合来满足不同需求的客户。但由于3D模型的面数及复杂程度等问题,3D游戏对于显卡运 算能力要求远远高于2D游戏。因此很多3D游戏都需要较高配置的独立显卡来完成流程精彩的3D游戏体验。此外在画面的精细度方面也较2D游戏有所欠缺。


当前国内已经有许多自己制作的出色的3D立体游戏,例如深度创艺科技有限公司倾力打造的《3D环游中国之极速都市》,这是一款赛车类的3D街机游戏,此款游戏的制作团队采用的是《阿凡达》的特效。选取北京,山西,杭州,上海,广州,香港六大城市赛道,让玩家尽情体验中国风的3D赛车游戏。经典的3D游戏还有很多,比如魔兽世界、永恒之塔 、指环王、天下2、诛仙2、完美国际、龙之谷、神兵传奇、流星蝴蝶剑、剑侠情缘网络版叁等等很多。


3D游戏虽然可以说是近几年游戏领域的一大飞跃,但是也有自己的不足,最主要的一点是3D游戏画面越好对设备的配置要求就越高,还有就是当前3D技术着 实有限,不能够完美的将3D效果表达出来,所以画面难免还是会有一些瑕疵,这也使许多追求完美的玩家不能够满意。但是毕竟这是游戏产业的一大进步,总体来看已经是相当不错了。


以往3D游戏主要是端游的市场,随着技术的发展,网页游戏也已经实现了3D化。2013年乐生互动游戏公司推出大型海战题材3D页游《战舰》,《战舰》基于Unity3D引擎开发基于二战海战为背景的3D写实类网页竞技游戏,游戏用C#、NodeJS、PHP等程序语言进行开发。


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5 3D眼镜


原理


立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像,制成电影胶片。在放映时,,通过两个放映机,把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映,使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看,看到的画面是模糊不清的,要看到立体电影,就要在每架电影机前装一块偏振片,它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光,通过偏振片后,就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处,偏振光方向不改变.观众用上述的偏振眼镜观看,每只眼睛只看到相应的偏振光图象,即左眼只能看到左机映出的画面,右眼只能看到右机映出的画面,这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。


在电影院中,佩戴立体眼镜是为了给不同的眼睛送去不同的图像,这和View-Master视镜是一样的。银幕实际上显示着两幅图像,而立体眼镜会让其中一幅进入一只眼睛,而另一幅进入另一只。


6 3D电影


3 D是英文Dimension(线度、维)的字头,3D是指三维空间。国际上是以3D电影来表示立体电影。


人的视觉之所以能分辨远近,是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分,两只眼睛除了瞄准正前方以外,看任何一样东西,两眼的角度都不会相同。虽然差距很小,但经视网膜传到大脑里,脑子就用这微小的差距,产生远近的深度,从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体,但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理,如果把同一景像,用两只眼睛视角的差距制造出两个影像,然后让两只眼睛一边一个, 各看到自己一边的影像,透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术,也多是运用这一原理,我们称其为“偏光原理”。


3D立体电影的制作有多种形式,其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。它以人眼观察景物的方法,利用两台并列安置的电影摄影机,分别代表人的左、右眼,同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。放映时,将两条电影影片分别装入左、右电影放映机,并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需同步运转,同时将画面投放在金属银幕上,形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时,由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直,并与放映镜头前的偏振轴相一致;致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像,通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上,由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面,使观众感到景物扑面而来、或进入银幕深凹处,能产生强烈的“身临其境”感。


当前在电影院里主要是播放采用两种不同原理的3D影片:


一种以imax大屏幕立体电影为代表的,这种技术是效果最好的,即所谓的偏振光技术,在播放时,用两部带偏振镜的放映机同步放映两路视差影像,即左右眼分别应该看到的影像。因此如不带电3d偏振光眼镜的话,在屏幕上看到的就是重影影像,而观众配带的3d眼镜就是两个偏振光镜片,通过它们,就能让我们的左右眼分别看到屏幕上放映的左右眼视差图像,产生立体效果。imax影院的屏幕有高达16米的,图象非常清晰,3d效果强烈,音响也很棒,是目前立体影院中最好的。


另外一种称为红蓝补色立体电影,中国以前放的都是这种电影,观看影片时,影院会给观众发一个几块钱就能买到的左红右蓝的滤色眼镜,带上后左眼就能看到屏幕上的红影图象,右眼看到蓝影图像,从而产生立体影像,这种立体电影比imax要差很多,立体感要差一些,但它的成本较低,也可以在普通的电影银幕上放映,可以让更多的人体会到立体电影带来的视觉魔术,同时由于这种电影对屏幕没有限制,所以我们只要买一副几块钱的红蓝立体眼镜,就能在电脑上观看立体电影。 (现影院已不再播放此类电影 主要以DVD BT下载为主)


还有一种常用的技术是立体眼镜的原理,这种立体眼镜采用时分方式,交替关闭左右液晶镜片,而与之相配套的播放软件分别在屏幕上同步交替播放左右眼视差影 像,因此我们的左右眼就能分别看到左右的视差影像。只要这个交替的速度足够快,就能让我们看到立体影像,并且不会有闪烁感。因此对电脑显示器的要求较高,需要CRT显示器,并且刷新频率至少达到100hz以上。


7 三维图形


3D是three-dimens ional的缩写,就是三维图形。在计算机里显示3d图形,就是说在平面里显示三维图形。不像现实世界里,真实的三维空间,有真实的距离空间。计算机里只是看起来很像真实世界,因此在计算机显示的3d图形,就是让人眼看上就像真的一样。人眼有一个特性就是近大远小,就会形成立体感。计算机屏幕是平面二维的,我们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像,是因为显示在计算机屏幕上时色彩灰度的不同而使人眼产生视觉上的错觉,而将二维的计算机屏幕感知为三维图像。基于色彩学的有关知识,三维物体边缘的凸出部分一般显高亮度色,而凹下去的部分由于受光线的遮挡而显暗色。这一认识被广泛应用于网页或其他应用中对按钮、3d线条的绘 制。比如要绘制的3d文字,即在原始位置显示高亮度颜色,而在左下或右上等位置用低亮度颜色勾勒出其轮廓,这样在视觉上便会产生3d文字的效果。具体实现 时,可用完全一样的字体在不同的位置分别绘制两个不同颜色的2d文字,只要使两个文字的坐标合适,就完全可以在视觉上产生出不同效果的3d文字。


8 3D引擎


3D引擎是将现实中的物质抽象为多边形或者各种曲线等表现形式,在计算机中进行相关计算并输出最终图像的算法实现的集合。


3D引擎根据是否能够被主流计算机即时计算出结果分为即时3D引擎和离线3D引擎。PC机及游戏机上的即时3D画面就是用即时3D引擎运算生成的,而电影中应用的3D画面则是用离线3D引擎来实现以达到以假乱真的效果。


3D引擎对物质的抽象主要分为多边形和NURBS两种。在即时引擎中多边形实现已经成为了事实上的标准,因为任何多边形都可以被最终分解为容易计算和表示的三角形。而在离线引擎中为了追求最好的视觉效果会使用大量的NURBS曲线来实现多边形很难表现出的细节和灵活性。


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9 3D max


3D Studio Max,常简称为3dsMax或MAX,是Discreet公司开发的(后被Autodesk公司合并)基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件,最新版本是2010。在Windows NT出现以前,工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。3D StudioMax + WindowsNT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛,首选开始运用在电脑游戏中的动画制作,后更进一步开始参与影视片的特效制作,例如X战警II,最后的武士等。


在应用范围方面,广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DSMAX被广泛地应用于电视及娱乐业中,比如片头动画和视频游戏的制作,深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DSMAX的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3DSMAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DSMAX的掌握程度也有不同的要求,建筑方面的应用相对来说要局限性大一些,它只要求单帧的渲染效果和环境效果,只涉及到比较简单的动画;片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大,特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些; 影视特效方面的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至.


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