Архитектурная 3D-визуализация — что такое и зачем это нужно?

По данным Global Market Insights, рынок 3D-рендеринга вырастет на 22% к 2026 году и достигнет 9 млрд долларов. Взрывной спрос и стремительное развитие технологий подхлестывают отрасль, повышая качество цифрового дизайна и улучшая пользовательский опыт. Так что же такое — 3D-визуализация? И почему она так активно используется в сфере архитектурного проектирования и строительства? Давайте разбираться.

Начнем с небольшой предыстории. 14 тысяч лет назад было создано, возможно, первое изображение “человеческого жилья”. Далекий предок эпохи палеолита нацарапал шалаш на небольшом камне.

Человечество развивалось. Но чтобы продемонстрировать свои идеи, архитекторам приходилось всё так же делать наброски от руки или создавать макет. Ведь как иначе визуализировать еще не построенное здание?

Техника графического рисунка развивалась постепенно. В эпоху Ренессанса родилась теория перспективы. Итальянский архитектор Филиппо Брунеллески изучал античные развалины и пытался воссоздать их на бумаге. Добиваясь максимальной реалистичности, он компоновал здания так, чтобы они уменьшались по мере удаления от переднего плана. К этому приему он стал прибегать и для визуализации собственных проектных решений.

В XIX веке появился новый вид архитектурной графики - аксонометрический чертеж. Он использовался для конструирования трехмерных пространств на двухмерной поверхности. Существовало жесткое правило, с учетом которого создавались такие проекции: никакой визуальной эстетики, только чистая математика.

В систему координат помещался корпус здания. Допускалось вращать его под разными углами, но ни в коем случае не менять заданные параметры - длину, ширину и высоту. Так, если обычно в перспективе параллельные линии сходятся, в аксонометрии они оставались параллельными. Из-за этого чертежи казались визуально искаженными, хотя на самом деле они были математически точны.

Французские архитекторы-рационалисты XIX века считали, что аксонометрические проекции хорошо подходят для анализа древних сооружений. А для модернистов аксонометрия стала основной формой визуализации, так как отвечала восприятию архитектуры как рационального явления.

Особую популярность получил “аксонометрический разрез”, когда часть здания “срезалась” как кожура и обнажались внутренние помещения. Этот прием довел до совершенства британский архитектор Джозеф Майкл Гэнди. В своей работе “Банк Англии как руины”, выполненной акварелью, Гэнди не только удалил крышу с построек, но и показал, как банк мог выглядеть, если бы его построили несколько веков назад - т.е. в виде полуразрушенных античных развалин.

В середине XX века поп-арт, сделавший искусство - бытом, а быт - искусством, добрался и до архитектурной графики. Визуализация того времени продолжала говорить о серьезных вещах, но при этом на понятном языке повседневной жизни, используя знакомые образы и штампы. На смену аксонометрическому чертежу, который взывал к рассудку, пришел коллаж, который обращался к чувственному восприятию. Благодаря элементу незаконченности такие визуализации как будто вовлекали зрителя в процесс архитектурного проектирования, формируя чувство причастности.

К технике коллажа часто прибегал, например, известный голландский архитектор Рем Колхас. Он сравнивал архитектурный коллаж с монтажом в кино. Колхас писал: “Я абсолютно убежден, что работа киносценариста и архитектора является процессом, основанном на редактировании или монтаже, на искусстве создания программных или пространственных последовательностей”.

Появление техники коллажа свидетельствовало о том, что архитектурный рисунок нуждается в новых средствах визуализации и новых способах концептуализации ультрасовременных дизайнов мира.

В 60-х годах с изобретения “Sketchpad” началась цифровая эра архитектурной графики. Американский ученый, профессор Университета Юты Айвен Сазерленд придумал программу, которая стала прообразом всех современных CAD-систем и 3D-редакторов. С помощью светового пера, испускающего электронные импульсы, программа позволяла рисовать на дисплее горизонтальные и вертикальные линии, масштабировать их и объединять в простые фигуры. И хотя ПО было достаточно примитивным, “Sketchpad” совершил прорыв в визуализации.

Компания IBM одной из первых проявила интерес к компьютерной графике - и не только в плане применения, но и дальнейшей доработки. Как писал сотрудник IBM Артур Аппель в своей статье “Некоторые методы визуализации твердых тел”: “Изображения, сгенерированные компьютером, могут заменить архитектурные чертежи. Но тогда компьютерная графика должна создавать иллюзию реальности”. А вот с реалистичностью как раз не все было гладко.

Чтобы решить эту проблему, Аппель разработал алгоритмы “Ray casting” (Бросание лучей) и “Ray tracing” (Трассировка лучей). Он предложил отслеживать лучи света, которые исходят от виртуальной камеры, и моделировать оптические эффекты, возникающие при взаимодействии компьютерного света с виртуальным объектом. Программа рассчитывала обратную траекторию преломленных лучей и генерировала дополнительные, создавая таким образом тени, отражения и блики.

Следующий ��еволюционный шаг сделал ученик Сазерленда - Эд Кэтмелл. Он разработал Z-буфер, а вместе с ним - “карту глубины”. При создании изображения каждому пикселю присваивался один из 256 оттенков серого, который демонстрировал степень его удаленности от зрителя. Так объекты на экране стали объемными, а их поверхность - рельефной. Всё это позволило Кэтмеллу создать первый анимационный фильм с использованием трехмерной графики “Рука” (в картине была показана оцифрованная модель левой руки Кэтмелла) - и привнести еще большую реалистичность в визуализацию.

“Чайник Юта” стал еще одним важным этапом. Мартин Ньюэлл трудился в Университете Юты над разработкой алгоритмов рендеринга - процесса финального преобразования 3D-сцены в 2D-картинку. Для демонстрации своих идей и проверки гипотез ему нужна была компьютерная модель. Во время семейного чаепития Ньюэлл поделился проблемой с женой, и та предложила смоделировать их чайный сервиз. Каркасы чашек и блюдцев вскоре были утеряны, а вот каркас чайника разошелся по всему миру и стал использоваться в качестве шаблона для тестирования материалов, накладываемых на поверхность модели (текстурирования). Кстати, коллега Ньюэлла - Эд Кэтмелл - сделал карьеру в Голливуде и затем возглавил студию “Pixar”. В одной из сцен мультфильма “История игрушек”, где Базза Лайтера поят чаем, можно заметить знаменитый “чайник Юта”.

Джим Блинн оказался первым, кто смог аккумулировать все наработки в области компьютерной графики. Применив алгоритмы генерации рельефа и наложения текстуры, он создал модель, максимально приближенную к реальности. Оставалось дело за малым - доработать компьютерное освещение (что и сделал Ву Тонг Фонг в 1975-м в своем “Расчете интенсивности света”), и трехмерная визуализация стремительно ворвалась в мир архитектурного проектирования и промышленного дизайна. В 80-е годы от ручного рисования в пользу новой технологии полностью отказались такие известные архитекторы, как Питер Эйзенман и Заха Хадид. Последняя назвала 3D-рендеринг революционным решением, кардинально изменившим представление “о том, что такое архитектура”.

В 1990 году вышло первое пользовательское ПО для 3D визуализации - “3D Studio”, основанное на принципе трассировки лучей и разработанное под операционную систему MS-DOS. Созданием программного пакета занималась независимая студия под руководством программиста Гарри Йоста. Состоялось четыре релиза. Затем программный пакет был переписан под Windows и переименован в “3D Studio MAX”. Благодаря упрощенному интерфейсу программу легко было освоить даже новичкам в компьютерной графике.

Последние достижения в области технологий рендеринга и разработки ПО позволили при создании архитектурной визуализации добиваться невероятного фотореализма. Но многое по-прежнему зависит и от самих 3D художников. Например, недостаточно просто сымитировать материалы, аналогичные тем, которые планируется использовать в строительстве будущего объекта. Преподнести их необходимо максимально естественно, учитывая время суток и время года. Каждый тип материала различных поверхностей по-разному взаимодействует со светом, формируя тот или иной тип рассеивания, от которого, в частности, зависит размер и степень размытия бликов. И таких деталей и особенностей - десятки. При этом важно не только отточить каждую деталь, но и продумать художественную подачу в целом, ведь даже технически совершенные, но лишенные атмосферы и настроения рендеры продавать будут плохо.

Сегодня уже никто не будет спорить, архитектурная визуализация - невероятно эффективный инструмент, который решает сразу несколько задач. Когда-то на создание точных аксонометрических чертежей уходили месяцы работы, при этом они не могли на 100% отразить масштаб креативной идеи. 3D рендеринг позволяет не только сэкономить время и избежать возможных ошибок, допущенных на стадии проектирования, но и максимально выгодно представить будущий объект. Поэтому помимо архитектурных бюро к 3D визуализации активно прибегают девелоперские компании и агенты по недвижимости.

3D визуализация на 40% повышает эффективность рекламы, другими словами, работает на результат - привлекает клиентов, увеличивает объем продаж, конвертирует отложенный спрос в покупки. И дело не в том, что визуальный контент лучше цепляет внимание потребителя. Трехмерный рендер позволяет продемонстрировать все самые привлекательные особенности будущей постройки - окружающий ландшафт, парковки, скверы, спортивные и игровые площадки - и, таким образом, по сути продает мечту, умело управляя эмоциями покупателя.

А Вам приходилось прибегать к 3D визуализации? Расскажите о своем опыте в комментариях! 😉

Photoreal3d