Полігональна сітка – що це таке і навіщо потрібна у комп’ютерній графіці.

Полігональна сітка в комп’ютерній графіці – це поверхня, яка зазвичай складається з безлічі полігонів, з’єднаних спільними ребрами.

Що таке ПОЛІГОНАЛЬНА СІТКА – поняття, визначення простими словами.

Полігональна сітка являє собою набір вершин, ребер та граней, які визначають форму багатогранного об’єкта в тривимірній комп’ютерній графіці. За своєю суттю, коли ми бачимо 3D модель, ми власне споглядаємо полігональну сітку, оскільки саме складові полігональної сітки, утворюють форми моделі яку ми бачимо.

Відображення полігональної сітки.

Зазвичай, коли ми розглядаємо завершений та відрендерений 3D об’єкт, то найчастіше нам не показують його в сітчастому вигляді. Але при створенні 3D об’єкту, художники дуже часто використовують режим відображення сітки (wire-frame), для того, щоб правильно будувати топологію та форми моделі. Працюючи в цьому режимі, художники можуть маніпулювати складовими полігональної сітки, тим самим створювати 3D модель з урахуванням правильної форми та топології.

Де створюється полігональна сітка?

Будучи невід’ємною частиною 3D моделі, робота над сіткою відбувається в комп’ютерних програмах, призначених для роботи з 3D графікою. З найбільш популярних програм можна виділити:

• Autodesk Maya;
• Autodesk 3Ds-max;
• Blender;
• Modo та інші.

Також варто згадати програми, підхід до роботи у яких значно відрізняється від програм наведених вище:

• Zbrush;
• Mudbox;
• 3d-coat та інші.

Вони дозволяють працювати з сіткою в більш традиційному вигляді, точно так, як над формуванням статуй працюють класичні скульптори. Замість роботи з кожним полігоном окремо або з групою полігонів, 3d скульптори працюють одночасно з тисячами або десятками тисяч полігонів за допомогою спеціальних кистей та інструментів, які вбудовані в програми для 3D скульптінгу.

Методи роботи з полігональною сіткою.

Як правило, більшість програм по роботі з 3D графікою мають величезний арсенал інструментів по роботі з моделлю. Кожна з програм має свої унікальні інструменти та модифікатори, але найбільш поширені інструменти присутні практично в однаковій формі в кожній програмі. Серед інструментів широкого користування є такі, як:

Extrude – дозволяє видавлювати додаткові полігони з уже існуючих. Є одним з основних інструментів при роботі з 3D моделлю та дозволяє створювати досить складні форми з примітивних фігур.

Cut – Дозволяє різати полігони від межі до межі, від вершини до вершини або ж в більш вільній формі. Іншими словами, є своєрідним інструментом-ножицями, який дозволяє перекроїти полігональну сітку по своєму бажанню. Є практично обов’язковим інструментом будь-якого 3D художника.

Bevel (chamfer) – Інструмент, який дозволяє робити фаски на геометрії. Він дуже поширений, оскільки робить форми менш рубаними та більш плавними. Завжди використовується при роботі з високо деталізованими моделями.

Ці, а також велика кількість інших інструментів, дозволяють відтворити будь-яку бажану форму в комп’ютерному 3D просторі з значною кількістю підходів до вирішення того чи іншого завдання.

Що таке Топологія полігональної сітки?

Простими словами, Топологія – це плавна і потокова організованість полігонів в 3D моделі.

Що таке правильна топологія?

Дуже складно охарактеризувати правильність топології в кількох словах, оскільки її правильність і неправильність може залежати від конкретного робочого процесу (Пайплайн), тієї чи іншої студії в певній сфері комп’ютерної графіки. Наприклад, якщо в одному технічному процесі присутність полігонів з трьома вершинами допустима, то в іншому процесі, полігони з трьома вершинами (Трісами) можуть бути вкрай небажаними, а перевага надаватиметься полігонам з чотирма вершинами (квадам). Сюди і відноситься побудова сітки під анімований чи статичний об’єкт, або об’єкт під згладжування (subdivision).

Але варто зазначити, що “правильна топологія” має цілком чіткі та непорушні вимоги до побудови коректної полігональної сітки. Так, наприклад, сітка повинна бути рівномірною і оптимальною за кількістю полігонів. На сітці не повинно бути загинів або пересічень полігонів. По можливості, межі у полігонів повинні мати не переривчасті та плавні лінії, які нерідко називають лупами.

Складові полігональної сітки.

Полігон – це основна частина полігональної сітки. Він містить в собі такі елементи як:

Вершина (vertex) – це точка перетину 3-х або більше ребер.

При роботі з 3D моделями, а конкретніше з полігональною сіткою, вершина часто виступає в ролі маніпулятора, який є найбільш популярним методом формування полігональної сітки в її підсумковому вигляді. Рухаючи вершини у всіх 3-х площинах (x, y, z), користувачеві вдається досягти правильної та потрібної йому форми в 3д моделі.

Ребро (edge) – Це пряма, яка утворюється в будь-якій точці геометрії, при перетині двох фейсів.

Так само як і в роботі з вершинами, перетягування ребер, досить ефективно використовується при генерації форм геометрії в комп’ютерній графіці. У деяких випадках, такий метод є більш ефективним та вимагає меншої кількості дій, при виділенні складових полігональної сітки для коригування або зміни форм об’єкта.

Фейс – це площина, яка утворюється при поєднанні не менше трьох ребер.

Іноді буває, що “фейс” плутають з “полігоном”, але насправді, це не одне і теж, оскільки “фейс” – це лише одна зі складових полігону. Але саме вона і відповідає за те, як ми бачимо об’єкт і як на нього лягають шейдери і текстури.

Нормаль – є вектором, який перпендикулярно направлений щодо площини та граней, до яких він належить. Інформація про напрям нормалі використовується при розрахунках освітлення та при виборі напрямку фейса щодо камери. Якщо нормаль буде перевернута в сторону від камери, то модель буде відображатися некоректно.

Види полігонів в комп’ютерній графіці.

Можна виділити три основні види полігонів:

Полігон з трьома вершинами – є найпростішим полігоном з можливих, оскільки має мінімальну кількість вершин та сторін для утворення площини (фейса). Часто іменується “трикутником” або “Трісом”.

Робота з побудови моделі виключно з Трісів, є на практиці швидше винятком, ніж правилом. Але варто відзначити, що є велика кількість сфер в комп’ютерній графіці де полігональна сітка на фінальному етапі повинна складатися виключно з трикутних полігонів. Так, хорошим прикладом є движки для комп’ютерних ігор, де в більшості своїй 3D модель повинна бути триангульованою.

Полігон з чотирма вершинами. На практиці, це найпоширеніший вид полігонів в 3D графіці. Він має чотири сторони і вертекса, що в роботі, робить його дуже зручним в побудові тривимірних форм, а також при маніпуляціях з полігональною сіткою. Він є практично обов’язковим при побудові 3D моделей, які надалі будуть анімовані або згладжені. При потребі, його можна дуже просто перетворити в трикутний полігон. Всього-то потрібно розрізати його по діагоналі вручну, або триангулювати програмними методами.

Полігон з п’ятьма вершинами або більше. Часто іменується як “N – Gon”.

Має п’ять або більше ніж п’ять сторін та вершин. Є вкрай небажаним полігоном практично в будь-якому робочому процесі. Часто N – гони створюють труднощі у вигляді артефактів при текстуруванні, рендері та анімації, а також погано піддаються згладжуванню на згинальних поверхнях.