Фотореализм в 3D-графике
Фотореализмом в 3D-графике называют создание изображений, которые трудно отличить от реальности. Такие работы создают максимальное погружение, заставляя зрителя поверить, что перед ним настоящие люди или объекты. Когда вы смотрите на изображение, задумываетесь ли о том, что оно может быть создано с помощью 3D-графики?
Проведём эксперимент: что из этого графика, а что реальность?
Если вам показалось, что на некоторых снимках реальность, вы ошиблись. Все кадры созданы с помощью 3D-графики.
Современные технологии позволяют создавать всё более реалистичные изображения людей. Например, с помощью инструмента MetаHuman Creator детализированную 3D-модель может создать даже человек без глубоких познаний в области графики. Ниже вы видите персонажа, который был создан в этом приложении. Не исключено, что с развитием нейросетей уже совсем скоро мы увидим фотореалистичные анимированные аватары пользователей в соцсетях.
Однако иногда, пытаясь сделать персонажа похожим на человека, художник вызывает у зрителя эффект психологического отторжения. Этот феномен описал японский робототехник Масахиро Мори и назвал его эффектом «зловещей долины». Суть его в том, что чем больше объект похож на реального человека, тем приятнее он выглядит, но до определенного момента — около 80–85% сходства. После преодоления этого порога у зрителя возникает резкий негативный эмоциональный отклик.
Примеры этого эффекта встречаются как в кино, так и в играх. Например, в фильме «Алита: Боевой ангел» персонаж находится на грани реализма, вызывая лёгкую тревогу. Алита выглядит дружелюбно и даже мило. Но некоторые черты её лица, дорисованные с помощью CGI, напоминают зрителю, что перед нами не живой человек, а робот.
Кадры из фильма «Алита: Боевой ангел»
В фантастическом хорроре «М3ГАН» практические эффекты сочетаются с 3D-графикой. Эффект «зловещей долины» усиливает атмосферу ужаса, делая главную героиню жуткой и отталкивающей.
3D-модель персонажа из фильма «М3ГАН»
А вот тот самый случай, когда сгенерированные изображения практически неотличимы от реальности. Работа 3D-художника Blitter. Можно подумать, что «зловещая долина» побеждена? Не совсем. В некоторых людях даже эта девушка вызывает лёгкую тревогу.
Работа от 3D-художника Blitter
Эффект «зловещей долины» может работать как в плюс, так и в минус. В нужные моменты он усиливает художественную выразительность или же портит впечатление и отталкивает. Это позволяет CG-специалистам осознанно использовать эффект, чтобы вызвать эмоции.
Чтобы избежать негативных последствий эффекта, 3D-художники должны следить за пропорциями, избегать смешения человеческих и нечеловеческих элементов и работать над естественностью движений и мимики.
Хотя фотореалистичная графика чаще всего ассоциируется с играми и кино, её применение выходит далеко за эти рамки. Её используют в самых разных сферах.
Архитектурная визуализация
Архитектура — один из наиболее распространённых примеров использования фотореализма. Программы, такие как 3ds Max, в связке с рендер-движками V-Ray и Corona Renderer позволяют дизайнерам создавать детализированные модели зданий и интерьеров. Фотореалистичные визуализации не просто демонстрируют нам проект, но также передают атмосферу. Такой подход помогает потенциальным покупателям представить, как их будущий дом или квартира будут выглядеть в реальности.
Визуализация экстерьера дома и окружения.
Интерьерная визуализация
Реклама и маркетинг
Фотореалистичная графика активно применяется в рекламе для визуальной демонстрации товаров и услуг. Компании могут показать свой продукт в лучшем свете ещё до его выпуска. Это особенно полезно в автомобильной, мебельной и технологичных сферах. Реалистичные рендеры точно передают внешний вид продукта.
Пример рекламного изображения продукта. Автор Роман Тихонов
Симуляторы
Фотореалистичная 3D-графика нашла своё применение, например, в медицине. Особенно в области обучения и симуляций. С помощью 3D-программ создаются детализированные модели человеческого тела и внутренних органов. Компьютерные симуляторы используют для обучения хирургов, которые тренируются на виртуальных моделях прежде, чем приступить к реальным операциям. Подобный софт помогает не только врачам, но и обычным людям в изучении анатомии.
3D-симуляции сегодня используются и во многих других сферах. Например, пилоты гражданской авиации несколько сотен часов обучаются в тренажёрах, неотличимых от кабины реального самолёта, и оттачивают свои действия до автоматизма, прежде чем их допустят к реальному авиалайнеру. Фотореалистичная картинка позволяет им эффективнее подготовиться к тому, с чем можно столкнуться во время настоящих полётов. А автогонщики накатывают круги по скрупулёзно воссозданным в 3D знаменитым гоночным трекам вроде Сильверстоуна и Нюрбургринга, чтобы запомнить каждый поворот и выучить каждый апекс.
Автор Neal Biggs.
Как создаются фотореалистичные модели?
Моделирование
1. Полигональное моделирование — стандартный метод, при котором объект строится из множества многоугольников или полигонов.
Autodesk Maya.
Полигоны — основа 3D-модели. Они представляют собой плоские многоугольники, которые соединяются друг с другом для создания сетки поверхности объекта. Чем больше полигонов, тем больше плотность сетки, а следовательно, модель выглядит более детализированной и гладкой. Однако это увеличивает нагрузку на систему. Поэтому часто требуется ретопология — процесс оптимизации сетки путем уменьшения числа полигонов без потери качества.
Для работы с детализированными полигональными моделями нужна рабочая станция с большим количеством оперативной памяти и мощным многопоточным процессором с высокой частотой на одно ядро. Ведь чем больше полигонов в 3D-модели, тем с большим числом координат вершин многоугольников предстоит работать железу. Одно дело, если речь идёт о простом объекте из 1000 треугольников — это несложная задача. Для большинства пользователей процессоры уровня Intel Core i9-14900K или Ryzen 9 9950X являются идеальным решением. Но совсем другое дело, если объект или сцена насчитывают сотни тысяч или даже миллионы многоугольников. Здесь не обойтись без процессора-монстра уровня AMD Threadripper. Стоят такие «камни» недёшево, но они упрощают и значительно ускоряют работу 3D-художников. Intel, к сожалению, в данном сегменте значительно уступает, давно не может угнаться за AMD и выпустить достойного конкурента.
2. Скульптинг — техника, похожая на лепку из глины. С её помощью 3D-художники создают сложные органические формы без строгого соблюдения структуры сетки. Например, персонажей или фантастических существ. Самые популярные программы для скульптинга — Zbrush и Blender.
3. 3D-сканирование и фотограмметрия — методы создания моделей на основе реальных объектов. 3D-сканирование позволяет считать форму и текстуру с реальных объектов с помощью специального оборудования, а фотограмметрия строит модель на основе множества фотографий объекта с разных ракурсов.
Преимущества обоих методов заключаются в их скорости и точности при создании объектов. Однако есть и недостатки. Например, они сильно зависят от условий освещения и качества съёмки. А ещё такие 3D-модели требуют ручной очистки от мусора и артефактов, а также нуждаются в оптимизации полигональной сетки.
Разработчики игры «Senua’s Saga: Hellblade 2» активно использовали эти методы для создания реалистичных локаций. Например, для воссоздания трёхмерной модели Исландии они использовали дрон и программу Drone Deploy, которая позволила составить карту полёта. В результате они получили сотни тысяч снимков, что позволило создать очень реалистичную локацию.
Точки на карте показывают местоположение дрона во время съемки.
Данным способом можно отсканировать любой неподвижный объект.
Объекты из библиотеки Quixel Megascans
4. 3D Gaussian Splatting — новая техника объёмного рендеринга, использующая массив точек с информацией о цвете, яркости и прозрачности. Вместо привычных полигонов объекты состоят из множества частиц и чем-то напоминают облака.
Сцена с сайта polycam
Алгоритм помогает точно передавать сложные формы и текстуры, а также позволяет захватить туман и дым, что придает сцене ещё больший реализм.
Текстуры и материалы
После создания 3D-модели, нужно натянуть на неё текстуры. Их качество напрямую зависит от контекста. Например, в играх от первого лица игрок будет рассматривать объекты вблизи, поэтому текстуры должны быть высокого разрешения. В играх от третьего лица текстуры играют чуть менее важную роль, так как игрок видит их со среднего расстояния. В играх с видом сверху можно уделять текстурам наименьшее внимание. Хотя, разумеется, вопрос качества текстур зависит от множества дополнительных условий.
В 3D-графике важно, как свет взаимодействует с разными поверхностями. Это нужно, чтобы человек сразу понимал, что перед ним за материал. В этом помогают PBR-текстуры (Physically Based Rendering). Это метод рендеринга, который имитирует взаимодействие света с объектами, учитывая физические законы.
Материал оружия можно рассмотреть в мельчайших деталях.
Такая детализация необходима, поскольку игрок будет видеть оружие прямо перед собой.
PBR-текстура создается таким образом, чтобы поверхность объекта сохраняла свои физические свойства вне зависимости от типа освещения.
Обычный шейдер / PBR-шейдер
Готовые PBR-текстуры находятся в многочисленных библиотеках, таких как Quixel Megascans.
Примеры материалов с ArtStation
Если нужен какой-то конкретный материал из реальности, его можно создать на основе фотографий поверхностей. Важно делать это при равномерном освещении, например, в студии или в пасмурный день. После нужно дополнительно обработать полученные снимки в редакторе для создания бесшовной текстуры.
Съёмка текстур для игры «Hellblade 2».
Текстуры высокого разрешения требуют большого количества видеопамяти. Многие энтузиасты входят в мир 3D с недорогими видеокартами уровня RTX 4060. Этого вполне достаточно, чтобы начать работать с графикой. Но профессионалы предпочитают использовать более дорогие и мощные видеоускорители. Например крупные анимационные студии пользуются видеокартами NVIDIA 6000 на базе архитектуры Ada с 48 ГБ видеопамяти. Если же бюджет ограничен, но требуется получить высокий уровень производительности, то RTX 4090 с 24 Гб видеопамяти — отличное решение, которое обеспечивает отличный баланс между производительностью и стоимостью. В некоторых задачах игровые видеокарты будут даже немного быстрее, чем профессиональные ускорители. Наиболее быстрым решением является система multi-GPU на нескольких видеокартах в связке с водяным охлаждением.
Производительность RTX 4090 и RTX 6000 Ada в разных приложениях.
Текстура с разрешением 1k и 4k
Композиция и освещение
Композиция и освещение — важные элементы, которые существенно влияют на реалистичность кадра. Правильная композиция фокусирует внимание зрителя в нужной режиссёру точке, а грамотное освещение создаёт глубину и атмосферу сцены.
Использование HDRI-карт позволяет достичь реалистичного света и отражений, что улучшает восприятие сцены.
HDRI-карта — это изображение с высоким динамическим диапазоном, которое содержит информацию не только о цвете, но и об освещённости.
Влияние HDRI на освещение.
Чтобы правильно осветить композицию, учитывается множество факторов: направление света, размер источника света и расстояние до него, цвет, а также отражённый свет от других объектов сцены и так далее.
Важно не только правильно расположить объекты в кадре, но и настроить освещение, чтобы подчеркнуть глубину и объем.
Направление света влияет на восприятие форм. Очень важно правильно расположить источники света. Например, если источник находится прямо перед объектом или персонажем, его форма потеряется и станет плоской. Перемещение источника света поможет выделить рельефные детали и подчеркнуть форму. Разные световые схемы создают определённое настроение и влияют на восприятие сцены. Нужно подбирать освещение в зависимости от целей и контекста.
Даже с идеально созданными моделями и текстурами недостаток освещения композиции испортит конечный результат.
Рендеринг и оборудование
После того как модель, текстуры, композиция и освещение готовы и правильно настроены, наступает этап рендеринга. Это процесс, в котором сцена визуализируется в окончательный кадр. Рендер можно выполнить на процессоре (CPU) или видеокарте (GPU). Некоторые приложения позволяют задействовать в рендеринге сразу и то, и другое. Выбор между подходами зависит от целей проекта и подходящего оборудования.
Рендеринг на CPU. Традиционно используется для более сложных вычислений и задач, требующих однопоточной производительности, например, при симуляциях частиц и освещения. Однако рендеринг на CPU может быть медленнее GPU в ряде задач. Многопоточные процессоры позволяют заметно ускорить процесс рендеринга. Как мы уже говорили, здесь нет равных процессорам семейства AMD Threadripper.
Рендеринг на GPU. Видеокарты обладают большим объемом вычислительных ядер и быстрой памятью, что даёт значительное преимущество в скорости рендера. GPU особенно эффективен при обработке графики, анимаций и визуальных эффектов. Здесь многое зависит от количества ядер в составе графического процессора (RTX 4090 — 16384 ядра, RTX A6000 Ada — 18176 ядер) и движка/ПО, на котором работает специалист. 2–6 GPU сделают рендеринг в разы быстрее. Например Redshift или Octan позволяют кратно увеличивать скорость рендеринга, в зависимости от количества видеокарт.
Что выбрать: CPU или GPU?
Выбор между CPU и GPU зависит от специфики проекта и требований. Для сложных симуляций и расчетов сцены CPU может быть более подходящим. Тогда как для быстрого рендера и работы с высокодетализированными сценами лучше подойдет GPU. Некоторые движки, такие как Arnold и Corona, работают исключительно на процессоре. Другие же, например Cycles и Octane, оптимизированы для графических процессоров и лишь в связке с ними обеспечивают высокую скорость рендеринга.
Хранилище. В процессе рендеринга приходится иметь дело с большими объёмами информации. Повысить скорость передачи данных можно с помощью твердотельных накопителей NVMe. Например, Samsung 980 Pro. Профессионалы же подключают к рабочим станциям внешние хранилища данных через высокоскоростные сетевые адаптеры.
Корпус. Форм-фактор рабочей станции тоже имеет большое значение. Если вам нужен мощный процессор и несколько GPU, стоит задуматься о FullTower с жидкостным охлаждением. А если вам приходится работать на разных площадках, можно приобрести SFF-станцию, которую легко возить с собой с места на место.
Сравнение Blender Cycles (GPU) / Maya Arnold (CPU)
Сравнение Blender Cycles (CPU) / Maya Arnold (CPU)
На этапе рендеринга важно найти баланс между качеством и скоростью рендера, чтобы результат был качественным, но не требовал огромного количества ресурсов.
Сравнение Vray CPU / Redshift GPU
Постобработка: Финальный штрих.
После рендеринга изображения или видео переходят в постобработку. Это финальный этап, на котором добавляются последние штрихи: сглаживание, цветокоррекция, туман, размытие в движении и другие визуальные эффекты. Они улучшают визуальное восприятие сцены и скрывают недостатки.
Кадр до обработки и после
Очень эффективно постобработка используется в видеоиграх. Например, в игре «Unrecord» эффекты тряски камеры, хроматические аберрации и размытие в движении помогли скрыть недостатки в текстурах и придали изображению динамичность и реалистичность.
Если внимательно присмотреться к деталям и текстурам, заметно, что они слабо проработаны. Однако именно благодаря постобработке и динамичности изображения глаз не успевает зацепиться за это.
Заключение.
Фотореализм в 3D-графике — сложный и многоэтапный процесс, в котором художники используют разные методы моделирования, текстурирования, освещения и постобработки. И каждый этап требует значительных вычислительных ресурсов. Стоимость оборудования для работы с фотореалистичной 3D-графикой может варьироваться от сотен тысяч до десятков миллионов рублей. Компания DigitalRazor собирает для профессиональных 3D-художников и аниматоров высокопроизводительные GPU-серверы с жидкостным охлаждением. Узнать о них подробнее вы можете на нашем официальном сайте.
Если материал был вам полезен, делитесь им в соцсетях. Пишите свои мысли в комментариях. В следующих статьях мы продолжим исследовать 3D-графику, а также поделимся практическими рекомендациями по выбору оборудования для работы с 3D.