Перейти к основному содержимому

8.08. 3D-графика и анимация

ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ОБЯЗАТЕЛЬНОВ РАЗРАБОТКЕ
Всем

3D-графика и анимация​

Трёхмерная графика — это область вычислительной техники, посвящённая созданию, обработке и отображению визуальных объектов, обладающих глубиной, объёмом и пространственной структурой. В отличие от двумерного изображения, в котором каждая точка задаётся двумя координатами (x, y), в трёхмерной системе добавляется третья координата (z), определяющая расстояние до наблюдателя или глубину в сцене. Сочетание геометрического описания объектов, алгоритмов их динамики и методов визуализации позволяет строить как интерактивные приложения — например, компьютерные игры и VR-среды, — так и неинтерактивные результаты — кино, архитектурные визуализации, научные модели.

Понимание 3D-графики требует рассмотрения нескольких взаимосвязанных слоёв:
— геометрическая основа и её преобразования,
— анимация как управление параметрами во времени,
— физическое поведение материалов и взаимодействие с окружением,
— рендеринг как процесс получения изображения из описания сцены,
— аппаратная и программная инфраструктура, обеспечивающая вычисление.

Все эти компоненты реализованы в современных инструментах — от игровых движков до профессиональных пакетов вроде Blender, Maya, Cinema 4D. Рассмотрим их последовательно.

Геометрическая основа трёхмерных моделей​

Любой 3D-объект в цифровом виде начинается с геометрического представления. Наиболее распространённый способ — полигональная сетка (polygonal mesh). Сеть состоит из вершин (vertices), рёбер (edges) и граней (faces), чаще всего треугольных (triangles). Треугольники используются потому, что любая плоская поверхность треугольника однозначно определена тремя точками и не требует дополнительных вычислений для проверки планарности, что упрощает обработку на уровне аппаратуры.

Вершина содержит трёхмерные координаты и дополнительные атрибуты: нормаль (вектор, перпендикулярный поверхности в этой точке), координаты текстуры (UV-координаты), цвет, а в некоторых случаях — веса для скелетной анимации. Совокупность вершин и их соединений образует каркас тела; степень детализации определяется количеством полигонов — от нескольких тысяч в мобильных приложениях до миллионов в кинематографических моделях.

Помимо полигональных сетей, в специализированных задачах применяются иные представления:
— NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) — параметрические кривые и поверхности, обеспечивающие гладкость высокого порядка; широко используются в CAD-системах для проектирования деталей с требованием математической точности;
— Voxel-представление — трёхмерный аналог пикселя, кубическая сетка, где каждый элемент несёт информацию о плотности или материале; применяется в медицинской визуализации (КТ, МРТ), геологических моделях, некоторых играх (например, Minecraft в упрощённом виде);
— Point clouds — наборы трёхмерных точек, полученные с помощью 3D-сканеров или алгоритмов SLAM; служат исходными данными для реконструкции поверхностей.

Геометрия сама по себе неподвижна. Чтобы объект мог двигаться, изменять форму или взаимодействовать с окружением, требуется механизм анимации.

Анимация​

Анимация в трёхмерной графике — это процесс изменения параметров модели в зависимости от времени. Эти параметры могут включать положение, ориентацию, масштаб, форму, цвет, прозрачность и множество других свойств.

Центральным инструментом традиционной анимации остаются ключевые кадры (keyframes). Аниматор задаёт состояние объекта в определённые моменты времени — например, в кадре 0 персонаж стоит, в кадре 30 поднимает руку. Промежуточные кадры (in-between frames) вычисляются автоматически с помощью интерполяции. Важно понимать, что интерполяция может быть линейной, но чаще — сплайновой (например, Bézier-кривые), что обеспечивает естественное ускорение и замедление движения (так называемый easing). Временная шкала с ключевыми кадрами формирует таймлайн, аналогичный видеоредактору, но с управлением сотнями и тысячами каналов одновременно.

Однако анимация сложных органических форм — например, человека — методом ключевых кадров вручную была бы чрезвычайно трудоёмкой. Здесь применяется скелетная анимация (skeletal animation), также известная как риггинг (rigging) с последующим скиннингом (skinning).

Скелет — это иерархическая структура из костей (bones), соединённых шарнирами. Каждая кость имеет локальную систему координат и наследует трансформации от родительской кости. Скелет не виден в финальном изображении — он служит управляющей структурой. При построении рига аниматор определяет степень свободы суставов (например, локоть может сгибаться только в одном направлении), ограничения вращения, драйверы для автоматического движения (например, поворот головы вызывает движение глаз).

После создания скелета следует этап скиннинга — привязки геометрии модели к костям. Каждая вершина поверхности получает веса влияния от одной или нескольких костей. При движении кости вершина смещается пропорционально этим весам. Например, вершина на предплечье может на 80 % зависеть от кости предплечья и на 20 % — от кости плеча, что даёт плавный переход деформации. Современные системы позволяют уточнять веса вручную или автоматически — с последующей коррекцией весовых карт.

Альтернативный подход к деформации — морфинг (morphing) и blend shapes. Здесь аниматор создаёт несколько целевых форм (targets), каждая из которых — полная копия геометрии в изменённом состоянии (например, «улыбка», «моргание», «вытянутая челюсть»). Анимация достигается линейной интерполяцией вершин между базовой и целевой формой. Blend shapes особенно важны для анимации лица: они позволяют комбинировать микро-выражения (приподнятый уголок рта, морщина на лбу) независимо друг от друга, что критично для достижения убедительной мимики. В отличие от скелетной анимации, blend shapes не полагаются на кости и лучше справляются с локальными деформациями кожи, мышц, губ.

Физически обоснованное поведение — следующий уровень реалистичности. Здесь анимациявозникает как результат симуляции. Это физика мягких тел, тканей, волос.

Мягкое тело (soft body) — объект, который сохраняет объём, но деформируется под действием внешних сил: гравитации, столкновений, давления воздуха. Реализуется через физические модели: масс-пружинные системы (массы в вершинах, пружины между ними), метод конечных элементов (FEM) или position-based dynamics (PBD). Ткани моделируются как сетки с особыми свойствами упругости, трения и демпфирования; алгоритмы учитывают складки, растяжение, взаимопроникновение слоёв. Волосы — либо как отдельные кривые (NURBS или сплайны), либо как объёмные «пряди», с учётом силы тяжести, ветра, коллизий с головой и телом. Такие симуляции требуют высоких вычислительных ресурсов и часто запускаются в пост-обработке — после основной анимации, — и результат сохраняется в кэш.

Рендеринг​

Рендеринг — это процесс вычисления двумерного изображения на основе трёхмерного описания сцены: геометрии, освещения, материалов, положения камеры и параметров визуализации. Он является финальным этапом графического конвейера и определяет, насколько визуально убедительным будет результат. Существует два принципиально разных подхода к рендерингу, различающихся по точности физического моделирования и вычислительной стоимости: растеризация (rasterization) и трассировка лучей (ray tracing).

Растеризация​

Растеризация — доминирующий метод в интерактивных приложениях: компьютерных играх, веб-визуализациях, CAD-системах с интерактивным просмотром. Её суть — проекция трёхмерных примитивов (в первую очередь треугольников) на двумерную плоскость экрана и заполнение пикселей внутри них.

Конвейер растеризации состоит из последовательных этапов:

  1. Вершинный этап (vertex processing): каждая вершина проходит через вершинный шейдер — программу, выполняемую на GPU. Здесь вычисляется её конечное положение в пространстве экрана (с учётом модели, вида и проекции), а также интерполируемые атрибуты: нормали, UV-координаты, цвета.

  2. Примитивная сборка и отсечение (primitive assembly & clipping): треугольники, полностью или частично выходящие за пределы видимой области (например, за пределы усечённой пирамиды вида — view frustum), отсекаются. Это снижает нагрузку на последующие стадии.

  3. Растеризация (rasterization): каждый треугольник преобразуется в набор пикселей (точнее — фрагментов), центры которых лежат внутри его проекции. Для каждого фрагмента вычисляются интерполированные значения всех атрибутов (цвет, нормаль, координаты текстуры) на основе значений в вершинах.

  4. Фрагментный этап (fragment processing): фрагментный шейдер (ранее — пиксельный) определяет итоговый цвет пикселя. Именно здесь происходит наложение текстур, расчёт освещения, применение эффектов прозрачности и постобработки (хотя часть постобработки выносится в отдельный проход). Важно, что на этом этапе отсутствует информация о глобальной структуре сцены: шейдер «видит» только текущий фрагмент и его локальные данные.

Из-за этой локальности растеризация не может напрямую моделировать такие явления, как отражения, преломления, мягкие тени от облачных источников, цветные отражения (например, красный шар, отбрасывающий красный отсвет на белую стену). Для имитации этих эффектов разработаны хитроумные техники:

— Shadow mapping: рендеринг сцены с точки зрения источника света в текстуру глубины; затем при основном рендере проверяется, находится ли точка в тени, сравнивая её глубину с записанной.
— Screen Space Reflections (SSR): отражения вычисляются только по уже отрендерённым пикселям на экране, что приводит к артефактам при выходе объектов за пределы кадра.
— Ambient Occlusion (SSAO, HBAO): эмпирическая оценка затемнения в углублениях и стыках поверхностей на основе локальной геометрии.
— Image-Based Lighting (IBL): окружение представляется в виде кубической текстуры, из которой извлекаются приблизительные отражения и рассеянный свет.

Все эти методы — компромиссы между качеством и скоростью. Они позволяют добиться приемлемой визуальной правдоподобности при частоте обновления 30–120 кадров в секунду, но не являются физически корректными.

Растеризация лежит в основе всех современных графических API: OpenGL, DirectX 11 и ранее, WebGL (реализация OpenGL ES 2.0/3.0 в браузере), Vulkan (более низкоуровневый, но по-прежнему растеризационный по умолчанию). Эти интерфейсы предоставляют стандартизированный способ взаимодействия приложения с GPU и управления конвейером.

Трассировка лучей​

Если растеризация — это «как нарисовать треугольники быстро?», то трассировка лучей — это «как свет доходит от источника до камеры?». Основная идея: для каждого пикселя экрана выпускается луч зрения (primary ray) из точки камеры через центр пикселя в сцену. Если луч пересекает объект, в точке пересечения вычисляются дальнейшие взаимодействия света:
— отражённый луч (для зеркальных и глянцевых поверхностей),
— преломлённый луч (для прозрачных сред, например, стекла, воды),
— диффузно рассеянные лучи (для матовых поверхностей),
— теневые лучи к каждому источнику света.

Каждый из этих вторичных лучей может вызывать новые пересечения, создавая древовидную структуру вычислений — дерево лучей. Суммарный вклад всех взаимодействий даёт итоговый цвет пикселя.

Наиболее продвинутая форма — трассировка пути (path tracing) — является методом Монте-Карло для решения уравнения рендеринга (rendering equation), предложенного Джеймсом Каджей в 1986 году. Это интегральное уравнение описывает, как энергия света перераспределяется в замкнутой среде. Path tracing генерирует случайные пути света и усредняет их вклад. При достаточном количестве выборок результат сходится к физически точному изображению.

Преимущества трассировки: — естественные мягкие тени (размытые края из-за конечного размера источника),
— корректные отражения и преломления (включая многократные),
— глобальное освещение (global illumination) — свет, отражённый от одной поверхности, освещает другую (например, красный ковёр придаёт тёплый оттенок белому потолку),
— цветные каустики — концентрированные пучки преломлённого света (например, на дне бассейна).

Исторически трассировка была слишком медленной для интерактивного использования: один кадр высокого качества мог рассчитываться часами на кластере. Кинематографические рендеры (например, Pixar, Weta Digital) использовали её десятилетиями — именно благодаря трассировке возможны визуальные шедевры вроде «Аватара» или «Паразитов».

Однако с 2018 года ситуация изменилась кардинально. Появление аппаратного ускорения трассировки в GPU — RT Cores в архитектуре NVIDIA Turing (GeForce RTX 20-й серии) — позволило выполнять пересечение лучей с ускоренными структурами данных (BVH — Bounding Volume Hierarchy) на порядки быстрее. API, поддерживающие это: DirectX Raytracing (DXR), Vulkan Ray Tracing, OptiX (NVIDIA). Современные игры (например, Cyberpunk 2077, Metro Exodus Enhanced Edition) используют гибридный подход: основной рендеринг — растеризация, а отражения, тени и глобальное освещение — частично или полностью с трассировкой лучей. Это не полный path tracing, но уже реалистичная имитация.

В 2022 году NVIDIA представила DLSS 3 с Frame Generation и Path Tracing в реальном времени для некоторых сцен — хотя и с ограничениями по разрешению и количеству лучей на пиксель. В 2024–2025 годах появляются первые движки (Unreal Engine 5.3+, Unity HDRP) с поддержкой Full Ray Tracing в интерактивных приложениях — правда, пока требующие топовых GPU.

Таким образом, граница между «кино» и «играми» размывается: рендеринг движется от аппроксимации к симуляции.

GPU и параллельные вычисления​

Графический процессор (GPU) изначально создавался как специализированное устройство для ускорения рендеринга. Однако его архитектура — тысячи лёгких вычислительных ядер, ориентированных на одинаковые операции над большим объёмом данных (SIMT: Single Instruction, Multiple Threads) — оказалась идеально подходящей для широкого класса задач, не связанных напрямую с графикой. Эта парадигма получила название GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units).

Ключевое отличие CPU от GPU: центральный процессор оптимизирован под последовательное выполнение сложных ветвлений и работу с малыми объёмами данных с низкой задержкой; графический процессор — под массовую параллельную обработку однородных данных с высокой пропускной способностью. Например, физическая симуляция жидкости требует одновременного обновления состояния миллионов частиц, каждая из которых подчиняется одним и тем же уравнениям — идеальный кандидат для GPU.

Для доступа к вычислительным возможностям GPU разработаны специализированные API:

— CUDA (Compute Unified Device Architecture) — проприетарная платформа NVIDIA, включающая расширения языка C/C++ и среду выполнения. CUDA доминирует в научных вычислениях, машинном обучении (фреймворки TensorFlow, PyTorch используют её «под капотом»), обработке изображений и видео.
— OpenCL (Open Computing Language) — открытый кроссплатформенный стандарт (Khronos Group), поддерживающий GPU от NVIDIA, AMD, Intel, а также CPU и FPGA. Широко распространён в промышленных и научных приложениях, где важна переносимость.
— Vulkan Compute, DirectX 12 Compute, Metal Compute — компоненты современных графических API, позволяющие запускать вычислительные шейдеры (compute shaders) в том же конвейере, что и графические. Это особенно важно для гибридных задач: например, симуляция частиц, результаты которой сразу используются в рендеринге без копирования данных между CPU и GPU.

Compute shaders — это программы, выполняемые на GPU, но не привязанные к графическому конвейеру. Они оперируют рабочими группами (work groups) и локальной памятью, что позволяет реализовывать сложные алгоритмы: быстрое преобразование Фурье, сортировку, редукцию, фильтрацию изображений, физические движки (например, NVIDIA PhysX частично работает на GPU), нейросетевый вывод (inference). В играх compute shaders могут обновлять анимацию толпы, генерировать ландшафт на лету, обрабатывать аудио с эффектами.

В контексте 3D-графики GPGPU проявляется во многих местах: — Физические движки: расчёт столкновений, динамики твёрдых тел, мягких тел, жидкостей, газов.
— Анимация: skinning на GPU, морфинг, симуляция волос и тканей в реальном времени.
— Постобработка: размытие в движении (motion blur), глубина резкости (depth of field), тон-маппинг, цветокоррекция — всё это фильтры, применяемые к буферу кадра как к двумерному массиву пикселей.
— Генерация контента: процедурное создание ландшафтов, текстур, моделей — например, в No Man’s Sky вся вселенная генерируется на лету с использованием compute-шейдеров и шумовых функций (Perlin, Simplex).

Важно понимать: эффективное использование GPU требует иного мышления — массовый параллелизм, минимизация синхронизации, аккуратная работа с иерархией памяти (глобальная, локальная, регистры). Ошибки в проектировании могут привести к узким местам, где GPU простаивает в ожидании данных от CPU.

3D в вебе​

Долгое время трёхмерная графика в браузере была ограничена плагинами (Flash, Unity Web Player). С появлением WebGL (Web Graphics Library) в 2011 году ситуация изменилась: это JavaScript API, предоставляющий прямой доступ к GPU через OpenGL ES 2.0/3.0 без установки дополнительного ПО.

WebGL — низкоуровневый интерфейс. Программист вручную управляет буферами вершин, шейдерными программами (написанными на GLSL ES), текстурами, состоянием рендерера. Это даёт полный контроль, но требует глубоких знаний графического конвейера. Поэтому на практике почти всегда используются библиотеки-обёртки:

— Three.js — самая популярная библиотека с открытым исходным кодом. Предоставляет высокоуровневые абстракции: сцена (Scene), камера (Camera), геометрия (Geometry), материал (Material), освещение (Light), анимация (AnimationMixer). Поддерживает загрузку моделей (glTF, OBJ, FBX), постобработку (EffectComposer), физику (через интеграцию с Cannon.js или Ammo.js), VR/AR (WebXR).
— Babylon.js — альтернатива от Microsoft, изначально ориентированная на игры и интерактивные приложения. Имеет встроенный физический движок, продвинутую систему материалов (PBR «из коробки»), инструменты для анимации, частиц, аудио. Особенно сильна в поддержке WebXR и AR на мобильных устройствах.
— PlayCanvas — движок с онлайн-редактором, ориентированный на командную разработку. Используется в серьёзных проектах, включая визуализации для автомобилей (BMW, Hyundai) и образовательные платформы.

Сценарии применения 3D в вебе разнообразны: — Интерактивные продукты: 3D-конфигураторы автомобилей, мебели, одежды.
— Образование: молекулы, анатомические модели, исторические реконструкции — всё можно вращать, масштабировать, разбирать.
— Визуализация данных: трёхмерные графики, тепловые карты, объёмные распределения (например, плотность населения по высоте зданий).
— Архитектура и инженерия: предварительный просмотр проектов зданий, механизмов, инфраструктурных объектов прямо в браузере — без установки тяжёлых CAD-систем.
— Медицина: визуализация томограмм — наложение сегментированных структур (органы, сосуды, опухоли) на 3D-модель тела пациента, что помогает хирургам в планировании операций.

Ограничения WebGL связаны с безопасностью и производительностью браузера: отсутствие прямого доступа к файловой системе, ограничения по объёму видеопамяти, зависимость от драйверов пользователя. Тем не менее, с развитием WebGPU (следующее поколение API, вдохновлённое Vulkan и Metal) ожидается рост производительности и унификация доступа к современным возможностям GPU.

Освещение и материалы​

Визуальное восприятие формы, объёма, текстуры и материала объекта в трёхмерной графике определяется его геометрией и тем, как его поверхность отражает, преломляет и поглощает свет. Модели, описывающие это взаимодействие, называются моделями освещения (lighting models) или моделями шейдинга (shading models). Они реализуются в шейдерах и задают, как вычисляется цвет пикселя на основе направления света, нормали поверхности, свойств материала и точки наблюдения.

Исторически первые модели были чисто эмпирическими — разработаны для достижения приемлемого визуального результата при минимальных вычислениях. Позже, с ростом вычислительных мощностей и требований к реализму, появились физически обоснованные подходы.

Классические модели: Фонг и Блинн-Фонг​

Модель освещения Буя Фонга (Phong shading model), предложенная в 1975 году, разделяет вклад света на три компонента:

  1. Фоновый свет (ambient) — постоянная составляющая, имитирующая многократно отражённый свет в сцене, заполняющий тени. Это глобальная константа, не зависящая от геометрии; её цель — избежать полного затемнения неосвещённых участков.
  2. Диффузный свет (diffuse) — рассеянное отражение, одинаковое во всех направлениях. Описывается законом Ламберта: интенсивность пропорциональна косинусу угла между направлением на источник света и нормалью к поверхности. Матовые поверхности (бумага, глина, матовый пластик) ведут себя именно так.
  3. Зеркальный свет (specular) — направленное отражение, создающее блики. В модели Фонга блеск вычисляется как степень косинуса угла между отражённым лучом света и направлением на камеру. Показатель степени (shininess) управляет размером и резкостью блика: высокие значения дают узкий, яркий блик (металл, лак), низкие — широкий, мягкий (пластик, кожа).

Ключевая особенность модели Фонга — нефизичность: в ней нет связи между диффузной и зеркальной составляющими, отражательная способность может превышать 100 %, энергия не сохраняется. Тем не менее, она долгое время оставалась стандартом благодаря простоте и хорошему визуальному результату при низкой стоимости.

Модель Блинна-Фонга (Blinn-Phong), предложенная Джимом Блинном в 1977 году, — оптимизация оригинальной модели. Вместо вычисления отражённого луча, вводится половинный вектор (halfway vector) — нормализованная сумма направлений на источник света и на камеру. Зеркальный блик вычисляется как косинус угла между нормалью и этим половинным вектором. Это даёт более стабильное поведение при косом освещении и снижает количество операций (не требуется отражение вектора), особенно важно в вершинном шейдинге.

Обе модели до сих пор используются в упрощённых сценах, обучающих проектах, мобильных приложениях — везде, где важна производительность и физическая точность не критична.

Физически корректный рендеринг: PBR​

С середины 2010-х годов в индустрии утвердился стандарт PBR (Physically Based Rendering — физически корректный рендеринг). Это набор принципов и практик, обеспечивающих соответствие реальному поведению света:

— Сохранение энергии: суммарное отражение (диффузное + зеркальное) не может превышать падающий свет.
— Микроповерхностная модель: реальные поверхности не идеально гладкие. Их шероховатость моделируется статистическим распределением микроскопических граней (microfacets). Чем шероховатее материал, тем шире распределение нормалей микрограней и тем рассеяннее зеркальное отражение.
— Френелевское отражение: доля отражённого света зависит от угла падения. Под прямым углом отражение минимально, под скользящим — стремится к 100 %. Это объясняет, почему края объектов выглядят более «металлическими», даже если материал диэлектрик (например, пластик).
— Разделение на диэлектрики и проводники:
 • Диэлектрики (непроводники: пластик, стекло, керамика, вода) отражают часть света (цвет отражения — белый или серый), остальное — рассеивают и поглощают (цвет диффузного компонента — «цвет объекта»).
 • Проводники (металлы) не имеют диффузного отражения: весь свет либо отражается (цвет отражения — цвет металла: медь — оранжевый, золото — жёлтый), либо поглощается.

В PBR-материалах ключевые параметры задаются через текстуры или константы: — Альбедо (albedo) — базовый цвет для диэлектриков (вместо диффузного), или цвет отражения для металлов. Важно: это не яркий, насыщенный цвет «как в Photoshop», а реалистичная отражательная способность (например, чистый белый — 80 % отражения, остальное — поглощение).
— Металличность (metallic) — скаляр от 0 (диэлектрик) до 1 (идеальный металл).
— Шероховатость (roughness) — от 0 (зеркальная поверхность) до 1 (матовая, рассеивающая). Иногда используется противоположный параметр — glossiness (глянец).
— Нормаль-карта (normal map) — эмулирует мелкие детали рельефа без изменения геометрии, изменяя направление нормали на уровне пикселя.
— AO-карта (ambient occlusion) — предварительно рассчитанное затемнение в углублениях для усиления ощущения глубины.

PBR стал стандартом благодаря консистентности: один и тот же материал выглядит одинаково при любом освещении — в солнечный день, в тени, под искусственным светом. Это критично для конвейеров разработки, где активы переиспользуются в разных сценах и движках. Поддержка PBR встроена в Unreal Engine, Unity HDRP/URP, Blender Cycles/Eevee, Substance Painter, Marmoset Toolbag.

Blender​

Среди инструментов 3D-графики особое место занимает Blender — бесплатный, открытый, кроссплатформенный пакет, охватывающий практически весь цикл создания трёхмерного контента: моделирование, скульптинг, риггинг, анимация, симуляции, рендеринг, композитинг, монтаж видео, даже 2D-анимация и создание интерактивных приложений (через игровой движок, хотя он устарел).

Blender начался как проприетарный коммерческий продукт в 1990-х, но в 2002 году перешёл в open source после уникальной общественной кампании по выкупу кода. С тех пор он развивается сообществом при поддержке Blender Foundation и корпоративных спонсоров (NVIDIA, AMD, Epic Games, Adobe). Выпускаются регулярные версии с чётким roadmap; каждое крупное обновление приносит прорывные функции.

Ключевые компоненты Blender, релевантные теме главы:

— Моделирование и скульптинг:
 • Полигональное моделирование с продвинутыми инструментами (безье-кривые, NURBS, boolean-операции, retopology).
 • Динамический топологический скульптинг (Dyntopo) и мультискульптинг — работа с миллионами полигонов в реальном времени для органических форм (персонажи, существа).
 • Процедурное моделирование через Geometry Nodes — визуальное программирование геометрии (аналог Houdini, но интегрирован в ядро). Позволяет создавать сложные алгоритмы: рост растений, разрушение зданий, генерация городов.

— Анимация:
 • Полноценный Dope Sheet и Graph Editor для работы с ключевыми кадрами и кривыми интерполяции.
 • Система риггинга с автоматической генерацией скелетов (Auto-Rig Pro — в виде аддона), продвинутыми контроллерами (IK/FK snapping, stretchy limbs), драйверами и ограничителями.
 • Поддержка blend shapes (Shape Keys) — с возможностью нелинейного смешивания и анимации весов.
 • Интеграция с Rokoko и Perception Neuron для motion capture: данные с датчиков или камер конвертируются в анимацию скелета.

— Симуляции и физика:
 • Жидкости (MantaFlow — современный решатель на основе метода решётки Больцмана),
 • Газы и дым (smoke/fire simulation),
 • Мягкие тела (soft bodies),
 • Ткани (cloth simulation с поддержкой коллизий, пришивки, ветра),
 • Волосы и мех (particle hair system с редактированием кривых, динамикой, рендерингом как геометрии),
 • Твёрдые тела (rigid body dynamics — столкновения, разрушения, шарниры).

— Рендеринг:
 • Cycles — production-рендерер с поддержкой CPU/GPU (CUDA, OptiX, HIP, Metal), path tracing, spectral rendering (в 4.0+), объёмное освещение, подповерхностное рассеяние (SSS), криптоматы. Используется в студиях для финального рендера анимации (Spring, Hero).
 • Eevee — растеризационный рендерер реального времени с PBR-материалами, SSAO, SSR, объёмным светом, глубиной резкости. Позволяет работать с фотореалистичными сценами интерактивно — идеален для пре-визуализации и создания короткометражек.
 • Workbench — технический рендер для моделирования (режимы каркаса, сольид, материал/шейдинг).

— Композитинг и постобработка:
 • Встроенный Compositor на основе нодов — аналог Nuke, но интегрированный. Позволяет собирать сложные цепочки обработки: цветокоррекция, глубина резкости, блюр движения, добавление эффектов (блики, засветки).
 • Поддержка многопроходного рендера (AOVs): можно сохранить отдельно диффузное, зеркальное, глубину, нормали и смешать их в композиторе — как в профессиональных VFX-пайплайнах.

— Экспорт и интеграция:
 • Поддержка современных форматов обмена: glTF 2.0 (стандарт для веба и AR), USD (Universal Scene Description — от Pixar, для совместной работы), Alembic (для анимации и симуляций).
 • API на Python — автоматизация задач, создание аддонов, интеграция с внешними системами (например, генерация документации по сцене для «Вселенной IT»).

Blender активно используется в инди-разработке и образовании и в коммерческих студиях: Ubisoft, Netflix Animation, Tangent Animation, DNEG. Выпущенные с его помощью полнометражные фильмы (Next Gen, Blender Animation Studio shorts) демонстрируют уровень зрелости инструмента.

Его открытость, модульность и сообщество делают Blender экосистемой — платформой, на которой строятся учебные курсы, исследовательские проекты, open-source инструменты (например, Armory — игровой движок на основе Blender и Kha).

Визуализация в науке, медицине, инженерии и искусстве​

Трёхмерная графика вышла далеко за пределы развлечений и дизайна. Сегодня она является неотъемлемой частью научного метода, инженерного цикла и клинической практики — там, где требуется интерпретация сложных данных, моделирование недоступных явлений или коммуникация абстрактных концепций. В этих областях 3D-визуализация служит инструментом познания, а не просто представления.

Научная визуализация​

В физике, астрофизике, метеорологии и вычислительной гидродинамике исследователи сталкиваются с многомерными массивами данных: распределение температуры в атмосфере, плотность темной материи в космологических симуляциях, турбулентность в потоке жидкости. Прямой анализ чисел невозможен — требуется трансляция в визуальную форму.

Основные методы: — Изолинии и изоповерхности (isocontours, isosurfaces) — отображение поверхностей постоянного значения (например, изобары на карте давления, изоплоты в модели звезды). Алгоритм Marching Cubes позволяет строить полигональную сетку по воксельным данным.
— Векторные поля — визуализация направления и величины (например, магнитное поле, скорость ветра) с помощью стрелок, линий тока (streamlines), трубок тока (streamtubes) или текстурного наложения (line integral convolution).
— Объёмный рендеринг (volume rendering) — прямое отображение воксельных данных без извлечения поверхностей. Каждый воксель характеризуется плотностью и, возможно, цветом; луч проходит через объём, накапливая вклад по мере прохождения (метод ray casting). Критически важен для визуализации облачных структур, плазмы, распределения загрязняющих веществ.

Открытые инструменты: ParaView, VisIt, VTK (Visualization Toolkit), OSPRay (ray tracing для научной визуализации). Они поддерживают параллельную обработку на кластерах и интеграцию с суперкомпьютерными симуляциями.

Медицинская визуализация​

В диагностике и хирургии 3D-графика спасает жизни. Компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), ультразвуковая томография (УЗИ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) генерируют трёхмерные массивы — серии срезов, которые могут быть реконструированы в объёмные модели.

Этапы обработки:

  1. Пре-процессинг: фильтрация шума, коррекция артефактов (движения, металлических имплантатов).
  2. Сегментация: выделение анатомических структур — вручную (радиологом), полуавтоматически (пороговая фильтрация, region growing) или с помощью нейросетей (например, nnU-Net). Каждый орган, сосуд, опухоль получает метку.
  3. Поверхностная реконструкция: из сегментированных меток строятся полигональные сетки (часто с оптимизацией топологии для рендеринга или 3D-печати).
  4. Визуализация и анализ: интерактивный просмотр, измерение объёмов, расстояний, углов; планирование операции — например, симуляция доступа к опухоли мозга с учётом критических структур.

Платформы: 3D Slicer (open source, мощный API на Python), Horos (для macOS), Materialise Mimics (коммерческий, стандарт в биомеханике и 3D-печати имплантов). В операционных используется AR-навигация: 3D-модель пациента проецируется в реальное поле зрения хирурга через HoloLens или аналоги, точно совмещаясь с анатомией.

Особый класс — функциональная визуализация: наложение данных активности (например, fMRI — кровоток в мозге при выполнении задачи) на анатомическую модель. Это позволяет локализовать зоны речи, памяти, движения — критично для нейрохирургии.

Инженерия и промышленный дизайн​

В проектировании 3D-графика — среда для принятия решений. Системы CAD (Computer-Aided Design) — SolidWorks, CATIA, Fusion 365, NX — строят модели на основе точных геометрических ядер (Parasolid, ACIS), обеспечивающих соответствие ГОСТ, ISO и другим нормативам.

Отличие от художественного 3D: — Геометрия параметрическая: изменение одного размера автоматически обновляет всю сборку.
— Поддержка инженерных примитивов: отверстия по ГОСТ, резьбы, шпоночные пазы, сварные швы.
— Анализ на прочность (FEA — Finite Element Analysis), теплопередачу, гидродинамику (CFD), кинематику механизмов — всё в единой среде.
— Генерация чертежей, спецификаций, управляющих программ для станков с ЧПУ.

Современные тенденции: — Гибридное моделирование: сочетание B-rep (границы) и полигональных/скульптинг-подходов — для дизайна потребительских товаров.
— Цифровые двойники (digital twins): виртуальная копия физического объекта (станок, здание, город), синхронизированная с датчиками в реальном времени. Используется для мониторинга, предиктивного обслуживания, симуляции аварийных ситуаций.
— AR-инструкции: техник надевает смарт-очки, и система подсвечивает, какую деталь снять, куда направить ключ — с проекцией 3D-стрелок и анимаций поверх реального оборудования.

Цифровое искусство и кинопроизводство​

В индустрии развлечений 3D-графика достигла уровня, при котором граница между реальным и сгенерированным стирается. Процесс создания CGI (Computer-Generated Imagery) включает:

— Пре-продакшн: концепт-арт, скульптинг в ZBrush, блокировка сцены (blocking) в Maya/Blender.
— Моделирование и риггинг: создание героев, реквизита, окружения; построение анатомически корректных скелетов с мышечными системами (например, через Muscle System в Maya).
— Анимация: ключевые кадры, motion capture (с камер, датчиков или ИИ-реконструкции по видео — Rokoko, DeepMotion), симуляция вторичной анимации (волосы, одежда, мышцы).
— Симуляции: разрушения зданий (Houdini), взрывы, огонь, вода — часто гибридные: физика + художественная правка.
— Рендеринг: распределённые фермы (рендер-фермы), тысячи ядер, дни расчёта одного кадра в Avatar: The Way of Water.
— Композитинг: слияние CGI с реальной съёмкой (green screen), цветовой баланс, добавление шума и зернистости для естественности (Nuke, Flame).

Особое значение приобретает процедурность и неразрушающий workflow: изменения вносятся на любом этапе без потери качества. Например, в Houdini весь пайплайн — сеть нодов: изменение входных параметров автоматически пересчитывает симуляцию, рендер и композитинг.

Образовательная визуализация​

В педагогике 3D-модели преодолевают ограничения текста и статичных иллюстраций. Дети 8–16 лет, для которых создана отдельная ветвь «Вселенной IT», лучше усваивают материал, когда могут: — Вращать ДНК-спираль и видеть комплементарные основания.
— «Разобрать» двигатель внутреннего сгорания и проследить такты.
— Пройти по нейрону и наблюдать передачу импульса через синапс.
— Исследовать Солнечную систему в масштабе, ощущая расстояния между планетами.

Ключевые требования к образовательной 3D-графике: — Простота управления (мышка/сенсор — без сложных шорткатов).
— Наличие подписей, анимированных пояснений, уровней детализации («показать только скелет», «добавить мышцы»).
— Соответствие возрасту: для младших — упрощённые формы, яркие цвета; для старших — близость к реальности, возможность измерений.
— Доступность: запуск в браузере (WebGL), поддержка слабых устройств.

Инструменты: Sketchfab (хостинг интерактивных 3D-моделей), ThingLink (интерактивные аннотации), Blender + Three.js для собственных проектов.

Будущее 3D-графики: нейросети, нейрорендеринг, генеративные модели​

Традиционные методы 3D-графики — основанные на явном геометрическом описании, физических симуляциях и аналитических моделях освещения — достигли высокой степени зрелости. Однако последние годы ознаменовались появлением принципиально нового класса подходов, где роль явного представления уступает место неявным функциям, обученным на данных. Эти технологии, объединённые под термином нейрографика (neural graphics), перестраивают пайплайны создания, рендеринга и взаимодействия с трёхмерным контентом.

Нейронные радиационные поля (NeRF)​

Ключевой прорыв — Neural Radiance Fields (NeRF), представленные в 2020 году. В отличие от полигональных сеток или вокселей, NeRF представляет сцену как непрерывную неявную функцию, аппроксимированную глубокой нейронной сетью. На вход подаются 5D-координаты: трёхмерное положение точки x = (x, y, z) и направление взгляда d = (θ, φ); на выходе — объёмная плотность σ и RGB-цвет c в этой точке и направлении.

Обучение происходит по набору 2D-изображений сцены, сделанных с известных позиций камеры. Сеть настраивается так, чтобы при трассировке лучей через неё (аналогично volume rendering) получались изображения, максимально близкие к исходным. После обучения NeRF способна генерировать фото-реалистичные изображения сцены с любой точки, включая те, с которых не было сделано снимков.

Преимущества NeRF: — Высокая детализация: воспроизводит тонкие структуры (листья, волосы, текстуры), которые трудно смоделировать вручную.
— Корректное освещение: отражения, преломления, тени возникают неявно, как часть функции.
— Непрерывность: отсутствуют артефакты рёбер или разрывов, характерные для мешей.

Ограничения: — Высокая стоимость обучения (часы на GPU),
— Медленный рендеринг (тысячи запросов к сети на пиксель),
— Требуется множество (50–100+) согласованных изображений.

Оптимизации: Instant-NGP (NVIDIA, 2022) использует хэшированные многомасштабные сетки и tiny MLP, ускоряя обучение до секунд; TensoRF разлагает поле на тензорные компоненты для повышения скорости; Gaussian Splatting (2023) заменяет поле на явное облако 3D-гауссиан — обеспечивает интерактивный рендеринг (100+ FPS) при сохранении качества.

NeRF уже применяется в: — 3D-сканировании объектов и интерьеров для e-commerce и VR,
— Восстановлении исторических памятников по архивным фото,
— Создании цифровых двойников людей для видеоконференций и кино (например, проект DreamFace),
— Улучшении данных с дронов и спутников.

Генеративные модели и синтез 3D-контента​

Если NeRF восстанавливает сцены из изображений, то генеративные модели создают их из текста, эскизов или шумов.

— Text-to-3D: модели вроде DreamFusion (Google, 2022) или Shap-E (OpenAI, 2023) используют предобученный 2D-диффузионный генератор (например, Stable Diffusion) как «учителя», чтобы обучить 3D-представление (NeRF или сетку) генерировать изображения, согласованные с текстовым описанием. Результат — трёхмерная модель по запросу вроде «керамическая ваза в японском стиле с синей глазурью».
— 3D-диффузия: прямая генерация 3D-структур — например, Point-E (облака точек), MeshDiffusion (полигональные мешы), GET3D (NVIDIA, 2022 — генерация топологически корректных, текстурированных мешей).
— Нейросетевой риггинг и анимация: модели, предсказывающие скелет и веса по форме тела (Animatable NeRF, Neural Body), или генерирующие анимацию по аудио (EMO, SadTalker — синхронизация губ и мимики под речь).

Эти методы пока кардинально сокращают этапы concept → base mesh. Художник работает не с нуля, а с заготовкой, которую затем дорабатывает вручную.

Нейросети в рендеринге и постобработке​

Нейронные сети активно внедряются в существующие конвейеры как ускорители и улучшатели:

— Denoising: трассировка пути требует тысяч лучей на пиксель для подавления шума. Нейросети (OptiX Denoiser, Intel Open Image Denoise) предсказывают «чистое» изображение по зашумлённому с десятками лучей — ускоряя рендер в 10–100 раз.
— Super-resolution и интерполяция кадров: DLSS (NVIDIA), FSR (AMD), XeSS (Intel) используют ИИ для повышения разрешения изображения или генерации промежуточных кадров (DLSS Frame Generation), сохраняя плавность без полной отрисовки.
— Relighting: изменение освещения сцены «после съёмки» — например, Neural Reflectance Fields позволяют менять направление и цвет источников света на уже отрендеренном или отснятом объекте.

Векторные и гибридные представления будущего​

Полигональные мешы и вокселы — дискретные. NeRF — непрерывный, но вычислительно дорогой. Перспективным направлением становятся гибридные структуры:

— 3D Gaussian Splatting — явное представление сцены как набора анизотропных гауссиан, каждая из которых кодирует положение, ковариацию (форму), прозрачность и сферическую функцию для освещения. Рендеринг — через splatting на экран с сортировкой и альфа-смешиванием. Позволяет 4K @ 100 FPS на потребительских GPU.
— Neural Implicit Surfaces — плотность и поверхность задаётся неявной функцией (например, Signed Distance Function, SDF), аппроксимированной сетью. Позволяет извлекать меш высокого качества после обучения (Neural Pulling, SDFusion).
— Векторная 3D-графика — попытки распространить идеи SVG на 3D: представление объектов как параметрических примитивов (дуги, сплайны, тела вращения) с аналитическими операциями (boolean, offset). Может обеспечить бесконечное масштабирование без потерь — перспективно для CAD и типографики.

Этические и технологические вызовы​

Рост возможностей несёт риски: — Deepfake в 3D: гиперреалистичные цифровые двойники без согласия.
— Потеря профессий: автоматизация моделирования и риггинга может сократить спрос на entry-level художников.
— Энергопотребление: обучение крупных 3D-моделей требует значительных ресурсов.

Однако открываются и новые возможности: — Персонализированная медицина: 3D-печать имплантов по данным пациента за час.
— Доступное образование: любой школьник может «войти» в клетку или орбитальную станцию.
— Цифровое наследие: точная 3D-реконструкция исчезающих памятников и культурных артефактов.

Будущее 3D-графики — в симбиозе «ручной работы» и «ИИ»: человек определяет намерение, задаёт художественное видение, контролирует качество; машина устраняет рутину, предлагает варианты, ускоряет итерации. Это переход от инструмента к партнёру в творческом процессе.