3D - De principes

Waarneming

Ruimtelijke registratie

Zien in de 'echte' wereld De manier waarop wij tegen de ons omringende wereld aankijken is in wezen een zeer complexe aangelegenheid. Onze ogen zijn daarbij te vergelijken met een heel speciaal soort scannertje, waarbij het netvlies de functie vervult van een samengesteld lichtgevoelige element, zij het dan in een gebogen uitvoering. Dit laatste is ook hard nodig want onze ooglens kent nauwelijks optische correctiemogelijkheden. Een moderne cameralens bestaat om die reden vaak uit acht of zelfs nog meer lens-elementen van verschillende soorten glas. Dit om het oorspronkelijk ruimtelijke beeld zo scherp mogelijk op een vlakke film te kunnen projecteren.

Onze ooglens daarentegen bezit van zichzelf weinig meer kwaliteit dan het simpelste meniscuslensje uit een wegwerpcameraatje. Het kan daardoor alleen maar een redelijk beeld vormen op een holvormig oppervlak, terwijl ook de werkelijke scherpte bepaald te wensen overlaat. Daarnaast echter heeft het in eendrachtige samenwerking met onze hersenen een aantal heel bijzondere eigenschappen. Zo vervormt het door middel van een groot aantal spiertjes de ooglens voortdurend en stelt zich daarmee als het ware scherp op de omgeving van voor tot achter. Door het dynamische scanproces ontvangen we zo ook grote hoeveelheden aan informatie omtrent de afstand waarop voorwerpen zich bevinden. Hetgeen nog eens wordt aangevuld door zowel spier- als interferentie-informatie die ontstaat doordat we steeds met twee ogen in de weer zijn.

Het werkt alles bij elkaar uitermate nauwkeurig en wordt waarschijnlijk ook ondersteund doordat we onbewust onze ervaringen opslaan in een gigantische 'database' die we kennelijk razendsnel ter referentie kunnen raadplegen. Tot die ervaringsfeiten behoort o.a. de indicatie dat een groter voorwerp zich (waarschijnlijk) dichterbij bevindt, dat rails en andere parallelle lijnen aan de horizon samen lijken te komen, dat er een schijnbare verkorting van objecten kan plaatsvinden, dat voorwerpen elkaar kunnen afdekken, etc. Ook dat door invloed van de atmosfeer ver gelegen voorwerpen aan kleur en contrast plegen te verliezen. Daarnaast speelt beweging van zowel het object als van ons hoofd een niet onbelangrijke rol bij de dieptebeoordeling.

Het zien van perspectief

Naast de meer algemene elementen van het ruimtelijke zien is er nog een ander aspect dat essentieel is voor een realistische waarneming: het perspectief. Een begrip dat voor ons heel vanzelfsprekend is, maar dat eigenlijk pas 500 jaar geleden met de Renaissance z'n intrede heeft gedaan in de beeldende kunst. Voordien golden gewoon andere wetten dan die van de werkelijke wereld, zodat bijvoorbeeld het belangrijkste element toen ook het grootst werd afgebeeld. Een weergave met behulp van een (meestal religieus bepaalde) ordening in plaats van die van de door ons waargenomen realiteit.

De nieuwe en kennelijk als fascinerend ondervonden manier van kijken die omstreeks 1500 ontstond had o.a. tot gevolg dat grote Renaissance-kunstenaars als Michelangelo en Raphael zich in relatief korte tijd erg veel kennis omtrent de wetmatigheden van het licht en de drie dimensionale ruimte verwierven. Soms zie je duidelijke fouten in de toepassing van bijvoorbeeld verdwijnpunten maar ook ontstonden er ware hoogstandjes met een soms indrukwekkende dieptebeleving. Het is daarom beslist de moeite waard om voor een beter begrip van 3 dimensionale computervormgeving juist deze kunstperiode te bestuderen.

Natuurlijk weet de computer de relatief eenvoudige perspectivische wetten met uiterste nauwkeurigheid te berekenen en daarmee wordt een droom van de grote Duitse kunstenaar Albrecht Dürer na 475 jaar werkelijkheid. Hij probeerde op alle mogelijke manieren de werkelijkheid systematisch te benaderen en bedacht bijvoorbeeld ook een systeem van een raster met draden om zo tot een meetbare weergave van de ruimtelijke wereld in het platte vlak te kunnen komen. In feite is dat natuurlijk precies wat we met onze moderne computers doen...

Echt en orthogonaal perspectief

Echt perspectief werkt met verdwijnpunten, plaatsen waarin horizontale lijnen schijnbaar samenkomen. Op de manier dus als onze ogen het waarnemen. Orthogonaal perspectief daarentegen werkt met evenwijdige lijnen, zoals in werkelijkheid ook het geval is. Het is daarom dat we deze weergave vooral tegenkomen in de technische sector zoals de architectuur. Temeer omdat hierbij de (relatieve) maateenheden onaangetast blijven. In feite komt deze weergave overeen met die welke in de Middeleeuwen werd toegepast, zij het om een andere reden.

De virtuele wereld van de computer

Hoewel we met 3D-software als het ware een virtuele 3-dimensionale ruimte binnen de computer scheppen kunnen we die immers uitsluitend waarnemen door middel van een vlakke projectie op het beeldscherm, de 'rendering'. Daarmee vervalt dus ook het diepte kunnen zien met behulp van de convergentie-verschillen die ontstaan door het kijken met twee ogen. We zullen dus precies als de hierboven aangehaalde kunstenaars met andere middelen het element diepte moeten benadrukken. Met andere woorden: enige overdrijving schaadt hier beslist niet!

Geregeld museumbezoek is beslist geen verloren tijd, maar ook de prachtige platenboeken die over vrijwel elke kunstenaar of kunstperiode verschenen zijn een uitstekende bron van inspiratie. Rubens bijvoorbeeld is een kunstenaar die niet alleen weelderige blote vrouwen wist te portretteren, maar die ook uitblonk in de plastische weergave van kleding en gebouwen. Behalve in musea is er natuurlijk ook op het Internet veel te vinden. Kijk bijvoorbeeld bij The Art of Renaissance Science, http://www.pd.astro.it/ars/arshtml/arstoc.html

Er bestaat echter nog een ander verschil tussen de werkelijke wereld en de virtuele in de computer. Zoals ook kinderen al vrij snel doorhebben verdwijnt een bal niet echt wanneer die achter een muur terecht komt. 'Alles' is dus aanwezig, ook wanneer we het niet zien. Zoiets is echter voor een computer, hoe groot en krachtig ook, een onmogelijke opgave en ook hier moeten dus onherroepelijk beperkende keuzes worden gemaakt. Ook bij animatie moet men zich noodgedwongen sterk beperken in het aantal objecten om te voorkomen dat de hoeveelheid data onwerkbaar groot wordt.

Toepassingen in 3D

De eerste programma's

Het is niet zo verwonderlijk dat een belangrijk programma van het eerste uur, 3D Studio, van dezelfde firma Autodesk afstamt die ook AutoCAD uitbrengt. AutoCAD werd en wordt door technische contructeurs en architecten gebruikt en die wilden maar al te graag alvast een realistische preview van het te bouwen eindproduct. Voor zichzelf en vooral ook voor hun opdrachtgevers die vaak niet erg getraind waren in het lezen van complexe bouwtekeningen. Begonnen met eenvoudige flat shading past men tegenwoordig veel realistischer structuurweergaves toe met tevens tal van passende attributen.

Daarnaast ontdekte ook de filmindustrie alras de mogelijkheden, al maakt men daarvoor niet zozeer gebruik van PC-achtige systemen, maar van krachtige op Unix gebaseerde grafische werkstations. Met name regisseurs als George Lucas (Star Wars) en Steven Spielberg (Jurassic Park) laten steeds schitterender staaltjes van computergraphics zien. In recente films als Star Wars en The Matrix wordt de trukendoos met z'n spciale effecten ver opengetrokken, maar ook films als Titanic en de tegenwoordige tekenfilms zouden zonder vergaande digitalisering niet mogelijk zijn.

Via de TV worden we trouwens de gehele dag blootgesteld aan producten die uit de computer afkomstig zijn in de vorm van al die flitsende reclame en niet te vergeten de vele knap geanimeerde 3D titels. Ook de talloze science-fictionseries liegen er niet om, of beter gezegd: die weten juist erg goed te liegen. Star Trek en Babylon 5 zijn bijvoorbeeld fraaie voorbeelden. Een bijzonder hoogtepunt vormde de Engelse documentaire 'Walking with Dinosaurs' waarbij zeer natuurgetouwe virtuele replica's van al tientallen miljoenen jaren uitgestorven reptielen naar hartelust vochten, vrijden en vlogen.

3D-ontwikkelingen in wetenschap en techniek

Behalve in de architectuur zoals we hierboven al aanhaalden staan 3D CAD-toepassingen aan de basis van de tegenwoordige instrumentbouw. Niet alleen voor het maken van uiterst nauwkeurige bouwtekeningen, maar ook om van tevoren gedragingen en krachtenverdelingen aan de hand van een virtueel model te voorspellen. Computermodellen worden echter ook al gebruikt om gedragingen en reacties in biologische en chemische systemen te beoordelen. Atoomstructuren en DNA-strengen kunnen door middel van speciale software aanschouwelijk worden gemaakt.

Door koppeling van verschillende systemen kunnen binnenkort zelfs geheel nieuwe verbindingen op deze wijze worden opgebouwd. Het gebied van 3D-imaging levert zeker in de medische sector tot grote veranderingen. Niet alleen voor onderzoek, maar ook voor opleidingen - zo zijn er van speciaal geconserveerde lichamen plakje na plakje afgesneden en dit telkens gefotografeerd. Door al deze beelden in een animatie te koppelen kunnen studenten een nauwkeurige drie-dimensionale rondgang maken door het inwendige van mensen en dieren.

Spelen: van tekst naar realistische beleving

Het is een grote stap van de tekstgeorienteerde MUD's uit de 80-er jaren via de cartoonachtige belevingen van Leisure Suit Larry naar de tegenwoordige, die laten zien hoe binnen een door de computer vormgegeven 3D omgeving zelfs echte, maar volledig gedigitaliseerde, acteurs kunnen meespelen. De interactiviteit verleent aan dit genre een voordeel boven een normale film die alleen maar passief kan worden aanschouwd. De enorme opslagmogelijkheden van de DVD maken natuurlijk ook een toenemend realisme mogelijk.

Er zijn spelen met een labyrinth-achtige omgeving zoals Myst (vervaardigd met Strata) en natuurlijk de ontelbare gewelddadige 'shooters'. Daartegenover zijn er echter ook educatieve en fascinerende 3D-werelden als van SimCity. Een stap verder is natuurlijk de toepassing van Virtual Reality, zodat je je als 'beschouwer' ook daadwerkelijk binnen het speelveld voelt opgenomen en op die wijze aan de actie kunt deelnemen. De grote doorbraak komt op het moment dat technologie en massaproductie voor goedkope VRhelmen of -brillen kunnen zorgen en het gezonde verstand voor een open standaard.

Het Internet en VRML

Omdat de Internet-communicatie via het beeldscherm plaatsvindt heeft dit een neerwaartse druk uitgeoefend op de resolutie. Ten eerste omdat voor een beeldscherm nu eenmaal geen erg hoge resolutie noodzakelijk is, maar ook om een redelijke overdrachtsnelheid te garanderen. Dit laatste geldt te meer voor digitale video waarbij voor een vloeiende animatie zo'n 30 beeldjes (frames) per seconde dienen te worden overgebracht. Zelfs bij de tegenwoordige krachtige compressietechnieken een zware opgave.

Op het Internet blijkt het vooral de porno-industrie zie het vinden van nog snellere overdrachtmethodes en -systemen stimuleert. Omdat dit alles nu eenmaal ook van de kant van de consument investeringen vergt gaat de ontwikkeling van werkelijke 3d-animatie slechts langzaam. Dit is ook het geval bij het nog steeds wat slapende VRML, de interactieve Internet-variant van het verkeren in een virtuele 3d-omgeving. De versie 2.0 hiervan biedt wel eindelijk de mogelijkheden die bij de introductie al waren beloofd.

Het andere besturingssysteem

Programma's voor de Mac zijn op dit gebied minder in aantal, maar er bestaan zeker uitstekende 3D paketten, waaronder ook Lightwave, Carrara, Bryce en Poser. De alternatieve Risc-computer van Acorn kent (of kende) eveneens uitmuntende programma's, terwijl het stabiele en modulaire Linux uiteraard een voor de hand liggend platform vormt voor veeleisende professionele toepassingen. Interessant was trouwens ook het speciaal voor de multimedia-desktop ontwikkelde BeOS, maar dit heeft het helaas tegen de macht van Windows moeten afleggen.

De toekomst

Er is nu nog een duidelijke waterscheiding tussen enerzijds de professionele pakketten met veel functies, een steile leercurve en een hoge tot zeer hoge prijs en anderzijds de programma's die een specifiek doel dienen of in het algemeen meer zijn bedoeld voor de gelegenheidsgebruiker. Deze laatste werken veelal met presets, een eenvoudiger te doorgronden interface en met flink wat geautomatiseerde bewerkingen. Het is te verwachten dat we, zoals ook bij beeldbewerkingsprogrammatuur, een soort samensmelting te zien gaan krijgen.

Zo zal er zeker gespecialiseerde software blijven bestaan voor de steeds digitaler wordende filmindustrie, die door z'n brede functionaliteit en uitzonderlijk hoge beeldkwaliteit bovendien peperduur zal blijven. Het kan echter niet uitblijven dat geavanceerde technieken doorsijpelen naar de minder professionele gebieden. Daarnaast zullen er ook nieuwe mogelijkheden om de hoek komen kijken, zoals op het gebied van Virtual Reality. Die z'n grote doorbraak zal beleven op het moment dat technologie en massaproductie voor goedkope VRhelmen of -brillen zal zorgen en het gezonde verstand voor een open standaard.

t e r u g