2.5D перспектива: Имитация трехмерности в играх и визуализации

Введение

Симуляция ощущения трехмерности.

2.5D (основное произношение – два с половиной измерения) – это игровой процесс или перемещение в видеоигре или среде виртуальной реальности, ограниченные двухмерной (2D) плоскостью с минимальным или полным отсутствием доступа к третьему измерению в пространстве, которое, тем не менее, выглядит трехмерным и часто моделируется и отрисовывается в 3D цифровой среде. Это похоже, но отличается от псевдо-3D-перспективы (иногда называемой трехчетвертной, когда окружение изображается под углом сверху вниз), которая относится к 2D графическим проекциям и подобным техникам, используемым для создания иллюзии трехмерности (3D) в изображениях или сценах, которые на самом деле таковыми не являются. В отличие от этого, игры, пространства или перспективы, которые моделируются и отрисовываются в 3D и используются в 3D-дизайне уровней, считаются настоящими 3D, а 2D-игры, выполненные в 2D без попыток имитировать 3D-изображение, считаются настоящими 2D. Распространенные в видеоиграх, 2.5D-проекции также оказались полезными в географической визуализации (GVIS) для лучшего понимания визуальных когнитивных пространственных представлений или 3D-визуализации. Термины «перспектива трех четвертей» и «вид с трех четвертей» восходят к изображению профиля в три четверти в портретной живописи и распознавании лиц, которое показывает лицо человека, находящееся между фронтальным и боковым видом.

Аксонометрическая и наклонная проекция

В аксонометрической и косоугольной проекциях, двух формах параллельной проекции, точка зрения слегка поворачивается, чтобы показать другие грани окружения, невидимые в виде сверху или сбоку, тем самым создавая трёхмерный эффект. Объект "считается расположенным под углом, что приводит к перспективному сокращению всех трёх осей", а изображение представляет собой "изображение на одной плоскости (как на поверхности для рисования) трёхмерного объекта, расположенного под углом к плоскости проекции". Этот признак глубины создаётся относительным движением слоёв. Эта техника развилась из метода многослойной камеры, использовавшегося в традиционной анимации с 1940-х годов. Впервые этот тип графического эффекта был применён в аркадной игре 1982 года "Moon Patrol". Примеры включают небо в Rise of the Triad, аркадную версию Rygar, Sonic the Hedgehog, Street Fighter II, Shadow of the Beast и Dracula X Chronicles, а также Super Mario World.

Режим 7

Режим 7, эффект отображения, включавший в себя вращение и масштабирование, создавал иллюзию трехмерности при движении в любом направлении, не используя настоящие 3D-модели, и применялся для имитации 3D-графики на SNES.

Лучевой отлив

Ray casting — это псевдотрехмерная техника от первого лица, в которой для каждого вертикального сегмента экрана из позиции камеры отправляется луч. Эти лучи распространяются, пока не столкнутся с объектом или стеной, после чего соответствующая часть стены отрисовывается в этом вертикальном сегменте экрана. Из-за ограниченной свободы движения камеры и двумерного игрового пространства, это часто относят к 2.5D.

Картирование наклона, нормального и параллакса

Картирование неровностей, нормальное отображение и параллаксное отображение — это методы, применяемые к текстурам в 3D-приложениях, таких как видеоигры, для имитации бугров и морщин на поверхности объекта без увеличения количества полигонов. Для конечного пользователя это означает, что текстуры, такие как каменные стены, будут казаться более объемными и, следовательно, более реалистичными, оказывая при этом меньшее влияние на производительность симуляции. Картографирование неровностей достигается путем возмущения нормалей поверхности объекта и использования изображения в оттенках серого и возмущенной нормали при расчетах освещения. В результате получается кажущаяся неровной поверхность, а не идеально гладкая, хотя поверхность базового объекта фактически не изменяется. Картографирование неровностей было представлено Блинном в 1978 году. В нормальном отображении единичный вектор от точки затенения к источнику света скалярно перемножается с единичным вектором нормали к этой поверхности, а скалярное произведение является интенсивностью света на этой поверхности. Представьте себе многоугольную модель сферы — вы можете лишь приблизительно воссоздать форму поверхности. Используя трехканальное растровое изображение, наложенное на модель, можно закодировать более подробную информацию о нормалях. Каждый канал в растровом изображении соответствует пространственной размерности (x, y и z). Эти пространственные размерности относятся к фиксированной системе координат для карт нормалей в пространстве объектов или к плавно изменяющейся системе координат (основанной на производных положения относительно текстурных координат) в случае карт нормалей в тангенциальном пространстве. Это добавляет гораздо больше деталей поверхности модели, особенно в сочетании с продвинутыми техниками освещения. Параллаксное отображение (также называемое смещением или виртуальным смещением) является усовершенствованием методов картографирования неровностей и нормального отображения, реализованным путем смещения текстурных координат в точке на отрисовываемом полигоне функцией от угла обзора в тангенциальном пространстве (угол относительно нормали поверхности) и значения карты высот в этой точке. При более крутых углах обзора текстурные координаты смещаются сильнее, создавая иллюзию глубины за счет эффектов параллакса при изменении угла обзора.

Bump mapping, normal mapping and parallax mapping are techniques applied to textures in 3D rendering applications such as video games to simulate bumps and wrinkles on the surface of an object without using more polygons. To the end user, this means that textures such as stone walls will have more apparent depth and thus greater realism with less of an influence on the performance of the simulation. Bump mapping is achieved by perturbing the surface normals of an object and using a grayscale image and the perturbed normal during illumination calculations. The result is an apparently bumpy surface rather than a perfectly smooth surface although the surface of the underlying object is not actually changed. Bump mapping was introduced by Blinn in 1978. In normal mapping, the unit vector from the shading point to the light source is dotted with the unit vector normal to that surface, and the dot product is the intensity of the light on that surface. Imagine a polygonal model of a sphere—you can only approximate the shape of the surface. By using a 3 channel bitmapped image textured across the model, more detailed normal vector information can be encoded. Each channel in the bitmap corresponds to a spatial dimension (x, y and z). These spatial dimensions are relative to a constant coordinate system for object space normal maps, or to a smoothly varying coordinate system (based on the derivatives of position with respect to texture coordinates) in the case of tangent space normal maps. This adds much more detail to the surface of a model, especially in conjunction with advanced lighting techniques. Parallax mapping (also called offset mapping or virtual displacement mapping) is an enhancement of the bump mapping and normal mapping techniques implemented by displacing the texture coordinates at a point on the rendered polygon by a function of the view angle in tangent space (the angle relative to the surface normal) and the value of the height map at that point. At steeper view angles, the texture coordinates are displaced more, giving the illusion of depth due to parallax effects as the view changes.

Техника кино и анимации

Термин также используется для описания эффекта анимации, часто применяемого в музыкальных клипах и, всё чаще, в начальных титрах. Широкую известность этот эффект получил благодаря фильму «Малыш остается в картине» – экранизации мемуаров кинопродюсера Роберта Эванса, – который заключается в наложении и анимировании двухмерных изображений в трехмерном пространстве. Более ранние примеры использования этой техники включают музыкальный клип Лиз Фейр «Down» (режиссёр Родни Ашер) и «A Special Tree» (режиссёр – музыкант Джорджио Мородер). В большем масштабе, в фильме «В кольцах Сатурна» 2018 года было использовано свыше 7,5 миллионов отдельных двухмерных изображений, полученных в космосе или с помощью телескопов, которые были смонтированы и перемещены с использованием техник многоплановой анимации.

Графический дизайн

Термин также относится к часто используемому эффекту в дизайне иконок и графических пользовательских интерфейсов (GUI), где создается небольшая 3D-иллюзия за счет наличия виртуального источника света слева (или в некоторых случаях справа) и над компьютерным монитором. Сам источник света невидимый, но его эффект проявляется в более светлых тонах верхней и левой сторон, имитирующих отражение, и в более темных тонах правой и нижней сторон объектов, имитирующих тень. Усовершенствованная версия этой техники встречается в некоторых специализированных программах для графического дизайна, например, ZBrush от Pixologic. Суть заключается в том, что холст программы представляет собой обычную двухмерную поверхность для рисования, но структура данных, хранящая информацию о пикселях, также способна сохранять данные относительно z-координаты, а также настройки материала, блики и т.п. Благодаря этим данным становится возможным моделировать освещение, тени и другие эффекты.

История

Первые видеоигры, использовавшие псевдо-3D, были в основном аркадными, самые ранние известные примеры относятся к середине 1970-х годов, когда в них начали использовать микропроцессоры. В 1975 году Taito выпустила Interceptor — ранний шутер от первого лица и симулятор боевого полёта, в котором игроку предстояло пилотировать реактивный истребитель, используя восьмипозиционный джойстик для наведения перекрестия и стрельбы по вражеским самолётам, двигавшимся группами по два и изменявшим размер в зависимости от расстояния до игрока. В 1976 году Sega выпустила Moto Cross — раннюю чёрно-белую видеоигру о мотогонках, основанную на соревнованиях по мотокроссу, которая примечательна тем, что впервые представила трёхмерную перспективу от третьего лица. Позже в том же году Sega Gremlin переименовала игру в Fonz, приурочив это к популярному ситкому «Счастливые дни». Обе версии игры демонстрировали постоянно меняющуюся дорогу, прокручивающуюся вперёд, и мотоцикл игрока в перспективе от третьего лица, где объекты, находящиеся ближе к игроку, больше, чем те, что видны на горизонте. Целью было управлять транспортным средством по дороге, соревнуясь со временем и избегая встречных мотоциклов или съезда с дороги. Также стоит отметить Night Driver от Atari, которая представляла собой серию столбов вдоль дороги, хотя вида на дорогу или автомобиль игрока не было. Игры, использующие векторную графику, имели преимущество в создании псевдо-3D эффектов. Speed Freak 1979 года воссоздала перспективу Night Driver с большей детализацией. В 1979 году Nintendo представила Radar Scope — шутер, который впервые в жанре использовал трёхмерную перспективу от третьего лица, подражавшую спустя годы таким шутерам, как Juno First от Konami и Beamrider от Activision. В 1980 году Battlezone от Atari стала прорывом для псевдо-3D игр, воссоздав 3D-перспективу с беспрецедентным реализмом, хотя игровой процесс оставался плоскостным. В том же году последовала Red Baron, которая использовала масштабируемые векторные изображения для создания рельсового шутера с прокруткой вперёд. Аркадный шутер Space Tactics от Sega, выпущенный в 1980 году, позволял игрокам прицеливаться с помощью перекрестия и стрелять лазерами в экран по приближающимся врагам, создавая ранний 3D-эффект. За ним последовали другие аркадные шутеры с перспективой от первого лица в начале 1980-х годов, включая Space Seeker от Taito (1981) и Star Trek от Sega (1982). SubRoc 3D от Sega (1982) также предлагала перспективу от первого лица и представила использование стереоскопического 3D через специальный окуляр. Astron Belt от Sega (1983) стала первой видеоигрой на лазерных дисках, использующей полноэкранное видео для отображения графики с перспективы от первого лица. В то же время в аркадах выпускались рельсовые шутеры от третьего лица, такие как Tac/Scan от Sega (1982), Ambush от Nippon (1983), Tube Panic от Nichibutsu (1983) и Buck Rogers: Planet of Zoom от Sega (1982), примечательная своей быстрой псевдо-3D масштабируемостью и детализированными спрайтами. Pole Position от Namco — одна из первых гоночных игр, использующих эффект «камеры, следующей за машиной», который сейчас так знаком. В этом конкретном случае эффект достигался за счёт linescroll — прокрутки каждой строки независимо друг от друга для искажения изображения. В данном случае искажение имитировало повороты и рулевое управление. Чтобы создать иллюзию движения дороги к игроку, использовались изменения цвета по каждой строке, хотя многие консольные версии предпочли анимацию палитры. Zaxxon, шутер, представленный Sega в 1982 году, стала первой игрой, использующей изометрическую аксонометрическую проекцию, от которой и произошло её название. Хотя игровое поле Zaxxon семантически 3D, игра имеет множество ограничений, которые относят её к категории 2.5D: фиксированная точка обзора, композиция сцены из спрайтов и движения, такие как выстрелы, ограниченные прямыми линиями вдоль осей. Это также была одна из первых видеоигр, в которой отображались тени. В следующем году Sega выпустила Congo Bongo — первый псевдо-3D изометрический платформер. Ещё одной ранней псевдо-3D платформенной игрой, выпущенной в том же году, была Antarctic Adventure от Konami, где игрок управляет пингвином в перспективе от третьего лица с прокруткой вперёд, перепрыгивая через ямы и препятствия. Это была одна из первых псевдо-3D игр, доступных на компьютере, выпущенная для MSX в 1983 году. В 1985 году Space Harrier представила технологию «Super Scaler» от Sega, которая позволяла масштабировать псевдо-3D спрайты с высокой частотой кадров, масштабируя до 32 000 спрайтов и заполняя ими движущийся ландшафт. Intellivision World Series Baseball (1983) от Don Daglow и Eddie Dombrower, выпущенная Mattel, стала первой оригинальной консольной игрой, использующей псевдо-3D, а также первой, использовавшей несколько ракурсов камеры, имитирующих спортивные трансляции по телевидению. Этот стиль отображения, характерный для спортивных трансляций, позже был принят 3D-спортивными играми и сейчас используется практически во всех крупных командных спортивных играх. В 1984 году Sega портировала несколько псевдо-3D аркадных игр на консоль Sega SG 1000, включая удачную адаптацию рельсового шутера от третьего лица Buck Rogers: Planet of Zoom. 2.5D также использовалось в моделировании местности с помощью программных пакетов, таких как ISM от Dynamic Graphics, GEOPAK от Uniras и система Intergraph DTM. Методы 2.5D моделирования поверхностей приобрели популярность в географическом сообществе благодаря возможности визуализации нормального соотношения толщины к площади, используемого во многих географических моделях; это соотношение было очень маленьким и отражало тонкость объекта по отношению к его ширине, что делало объект реалистичным в определённой плоскости. Эти представления были аксиоматичными в том смысле, что не использовался весь подповерхностный домен или весь домен не мог быть реконструирован; поэтому использовалась только поверхность, а поверхность — это лишь один аспект, а не полная 3D-идентичность. Сам термин «два с половиной D» был использован ещё в 1994 году Уорреном Спектором в интервью в первом североамериканском выпуске журнала PC Gamer. В то время этот термин понимался как относящийся конкретно к шутерам от первого лица, таким как Wolfenstein 3D и Doom, чтобы отличить их от «настоящего» 3D-движка System Shock. С появлением консолей и компьютерных систем, способных обрабатывать несколько тысяч полигонов (наиболее базового элемента 3D-компьютерной графики) в секунду и использованием специализированных графических процессоров для 3D, псевдо-3D устарело. Но даже сегодня существуют производимые компьютерные системы, такие как мобильные телефоны, которые часто недостаточно мощны для отображения настоящей 3D-графики и поэтому используют псевдо-3D для этой цели. Многие игры из псевдо-3D аркадной эпохи 1980-х и 16-битной консольной эпохи портируются на эти системы, давая производителям возможность получать доход от игр, которым несколько десятилетий. Возрождение 2.5D или визуального анализа в естественных и земных науках увеличило роль компьютерных систем в создании пространственной информации в картографии. GVIS сделала реальным поиск неизвестного, взаимодействие со пространственными данными в реальном времени и контроль над отображением карт, а также уделила особое внимание трёхмерным представлениям. Усилия в GVIS были направлены на расширение более высоких измерений и повышение их видимости; большинство усилий было сосредоточено на «обмане» зрения, заставляя его видеть три измерения в 2D-плоскости. Подобно 2.5D-дисплеям, где поверхность трёхмерного объекта представлена, но местоположения внутри твёрдого тела искажены или недоступны.

The first video games that used pseudo 3D were primarily arcade games, the earliest known examples dating back to the mid 1970s, when they began using microprocessors. In 1975, Taito released Interceptor, an early first person shooter and combat flight simulator that involved piloting a jet fighter, using an eight way joystick to aim with a crosshair and shoot at enemy aircraft that move in formations of two and increase/decrease in size depending on their distance to the player. In 1976, Sega released Moto Cross, an early black and white motorbike racing video game, based on the motocross competition, that was most notable for introducing an early three dimensional third person perspective. Later that year, Sega Gremlin re branded the game as Fonz, as a tie in for the popular sitcom Happy Days. Both versions of the game displayed a constantly changing forward scrolling road and the player's bike in a third person perspective where objects nearer to the player are larger than those nearer to the horizon, and the aim was to steer the vehicle across the road, racing against the clock, while avoiding any on coming motorcycles or driving off the road. and Atari's Night Driver, which presented a series of posts by the edge of the road though there was no view of the road or the player's car. Games using vector graphics had an advantage in creating pseudo 3D effects. 1979's Speed Freak recreated the perspective of Night Driver in greater detail. In 1979, Nintendo debuted Radar Scope, a shoot 'em up that introduced a three dimensional third person perspective to the genre, imitated years later by shooters such as Konami's Juno First and Activision's Beamrider. In 1980, Atari's Battlezone was a breakthrough for pseudo 3D gaming, recreating a 3D perspective with unprecedented realism, though the gameplay was still planar. It was followed up that same year by Red Baron, which used scaling vector images to create a forward scrolling rail shooter. Sega's arcade shooter Space Tactics, released in 1980, allowed players to take aim using crosshairs and shoot lasers into the screen at enemies coming towards them, creating an early 3D effect. It was followed by other arcade shooters with a first person perspective during the early 1980s, including Taito's 1981 release Space Seeker, and Sega's Star Trek in 1982. Sega's SubRoc 3D in 1982 also featured a first person perspective and introduced the use of stereoscopic 3 D through a special eyepiece. Sega's Astron Belt in 1983 was the first laserdisc video game, using full motion video to display the graphics from a first person perspective. Third person rail shooters were also released in arcades at the time, including Sega's Tac/Scan in 1982, Nippon's Ambush in 1983, Nichibutsu's Tube Panic in 1983, and Sega's 1982 release Buck Rogers: Planet of Zoom, notable for its fast pseudo 3D scaling and detailed sprites. Pole Position by Namco is one of the first racing games to use the trailing camera effect that is now so familiar In this particular example, the effect was produced by linescroll—the practice of scrolling each line independently in order to warp an image. In this case, the warping would simulate curves and steering. To make the road appear to move towards the player, per line color changes were used, though many console versions opted for palette animation instead. Zaxxon, a shooter introduced by Sega in 1982, was the first game to use isometric axonometric projection, from which its name is derived. Though Zaxxon's playing field is semantically 3D, the game has many constraints which classify it as 2.5D: a fixed point of view, scene composition from sprites, and movements such as bullet shots restricted to straight lines along the axes. It was also one of the first video games to display shadows. The following year, Sega released the first pseudo 3D isometric platformer, Congo Bongo. Another early pseudo 3D platform game released that year was Konami's Antarctic Adventure, where the player controls a penguin in a forward scrolling third person perspective while having to jump over pits and obstacles. It was one of the earliest pseudo 3D games available on a computer, released for the MSX in 1983. In 1985, Space Harrier introduced Sega's "Super Scaler" technology that allowed pseudo 3D sprite scaling at high frame rates, with the ability to scale 32,000 sprites and fill a moving landscape with them. The first original home console game to use pseudo 3D, and also the first to use multiple camera angles mirrored on television sports broadcasts, was Intellivision World Series Baseball (1983) by Don Daglow and Eddie Dombrower, published by Mattel. Its television sports style of display was later adopted by 3D sports games and is now used by virtually all major team sports titles. In 1984, Sega ported several pseudo 3D arcade games to the Sega SG 1000 console, including a smooth conversion of the third person pseudo 3D rail shooter Buck Rogers: Planet of Zoom. 2.5D was also used in terrain modeling with software packages such as ISM from Dynamic Graphics, GEOPAK from Uniras and the Intergraph DTM system. 2.5D surface techniques gained popularity within the geography community because of its ability to visualize the normal thickness to area ratio used in many geographic models; this ratio was very small and reflected the thinness of the object in relation to its width, which made it the object realistic in a specific plane. These representations were axiomatic in that the entire subsurface domain was not used or the entire domain could not be reconstructed; therefore, it used only a surface and a surface is one aspect not the full 3D identity. The specific term "two and a half D" was used as early as 1994 by Warren Spector in an interview in the North American premiere issue of PC Gamer magazine. At the time, the term was understood to refer specifically to first person shooters like Wolfenstein 3D and Doom, to distinguish them from System Shock's "true" 3D engine. With the advent of consoles and computer systems that were able to handle several thousand polygons (the most basic element of 3D computer graphics) per second and the usage of 3D specialized graphics processing units, pseudo 3D became obsolete. But even today, there are computer systems in production, such as cellphones, which are often not powerful enough to display true 3D graphics, and therefore use pseudo 3D for that purpose. Many games from the 1980s' pseudo 3D arcade era and 16 bit console era are ported to these systems, giving the manufacturers the possibility to earn revenues from games that are several decades old. The resurgence of 2.5D or visual analysis, in natural and earth science, has increased the role of computer systems in the creation of spatial information in mapping. GVIS has made real the search for unknowns, real time interaction with spatial data, and control over map display and has paid particular attention to three dimensional representations. Efforts in GVIS have attempted to expand higher dimensions and make them more visible; most efforts have focused on "tricking" vision into seeing three dimensions in a 2D plane. Much like 2.5D displays where the surface of a three dimensional object is represented but locations within the solid are distorted or not accessible.

Технические аспекты и обобщения

Причина использования псевдо-3D вместо "реальной" 3D-компьютерной графики заключается в том, что система, которой необходимо имитировать 3D-графику, недостаточно мощна для выполнения ресурсоемких вычислений 3D-компьютерной графики, но способна использовать приемы модификации 2D-графики, такие как растровые изображения. Один из таких приемов — многократное растяжение растрового изображения, увеличивающее его размер с каждым шагом, чтобы создать эффект приближающегося к игроку объекта. Даже простое затенение и размер изображения можно рассматривать как псевдо-3D, поскольку затенение придает изображению большую реалистичность. Если бы освещение в 2D-игре было двухмерным, оно было бы видно только на контурах, которые часто темные и поэтому не очень заметны. Однако любое видимое затенение указывает на использование псевдо-3D-освещения и, следовательно, на то, что изображение использует псевдо-3D-графику. Изменение размера изображения может создавать иллюзию движения ближе или дальше, что можно считать имитацией третьего измерения. Измерения — это переменные данных, которые можно сопоставить с конкретными точками в пространстве; 2D-данным можно придать 3D-объем, добавив значение к плоскости x, y или z. "Назначение высоты 2D-областям топографической карты", то есть сопоставление каждой 2D-координате значения высоты, создает 2.5D-проекцию; это не считается "истинным 3D-представлением", однако используется как 3D-визуализация для "упрощения визуальной обработки изображений и, как следствие, пространственного восприятия".