Полный учебник по Blitz  

|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

Введение в трехмерную графику

Трехмерная графика (или просто Зd-графика) появилась задолго до выхода первой версии 3D Studio Max и даже ее предшественницы 3D Studio. Элементы Зd-графики использовались в CAD-приложениях для серьезных инженерных расчетов. И сейчас Зd-графика применяется как для художественной визуализации (анимации и неподвижные изображения), так и для иллюстрации инженерных задач, например в AutoCAD или SolidWorks.

Для того чтобы познакомить вас со всем процессом создания компьютерной анимации от первого щелчка мышью до просмотра готового ролика, разобьем его (довольно условно) на пять основных этапов.

Этап 1: моделирование

Моделирование - это процесс создания моделей, отражающих некоторые объекты реального или вымышленного мира в какой-либо программе трехмерного моделирования.

Все модели в 3d max, являются сеточными, то есть состоящими из большого числа отдельных связанных друг с другом многоугольников. В 3d-графике эти многоугольники называются полигонами.

Методов сеточного моделирования не так много. Все они так или иначе основаны на операциях выдавливания полигонов, их расщепления и разбиения, поворота и перемещения и, что очень важно, сглаживания.

Улучшенным методом создания сеточных объектов является использование поверхностей разделения, которое было реализовано в Maya, а затем появилось в 3ds max.

С помощью моделирования сеточных объектов может быть получена практически любая форма, как сложная, так и простая (например, низкополигональный персонаж 3D-игры).

Сеточные объекты также могут быть созданы с использованием сплайнов -плоских или трехмерных кривых. Для получеиия сеточного объекта сплайн может быть подвергнут вращению или выдавливанию. Существует еще несколько методов моделирования: NURBS-моделирование (и аналогичное ему моделирование с использованием модуля Surface Tools), патчевое моделирование.

Суть NURBS-моделирования состоит в том, что в трехмерном пространстве рисуются опорные кривые, повторяющие опорные контуры объекта, а затем на них «натягивается» поверхность. В NURBS-моделировании тоже есть несколько методов, таких как в моделировании на основе сплайнов. По сути, сплайн-моделирование - это упрощенный вариант NURBS. Стоит отметить, что NURBS-моделирование в 3ds max никогда не вызывало восхищенных отзывов экспертов. Поэтому, если вы желаете работать с NURBS, то лучше использовать специализированные пакеты, например Rhinoceros. С помощью NURBS чаще всего моделируются обтекаемые, эргономичные объекты, а также объекты, обладающие аэродинамическими характеристиками: автомобили, самолеты, всевозможные вымышленные объекты.

В процессе патчевого моделирования поверхность трехмерного объекта строится на основе небольших четырехугольников - патчей. Стороны патча представляют собой сплайны с двумя вершинами, для которых (как и для любых других сплайнов) можно выполнять настройку направления и величины касательной. При помощи патчей чаще всего моделируют персонажей или схожие по сложности и процессу моделирования объекты.

Новички зачастую считают, что моделирование является основным, определяющим этапом создания ЗD-графики, однако это не так. Даже очень хорошо сделанную модель могут испортить низкокачественные текстуры, неудачное освещение или неправильная точка съемки.

Этап 2: текстурирование

Этот этап можно назвать созданием материалов. После создания 3d-модели у вас получается серая, тусклая, однотонная форма, которую предстоит раскрасить так, как вам нужно.

Сетка определяет форму модели. В двумерном изображении - ее контуры. Цвет же любой точки на поверхности объекта определяется материалом. Материал задает окраску поверхности, ее рельеф, форму и размер блика, прозрачность, эффекты отражения, преломления и просвечивания - в общем, все свойства поверхности.

В 3ds max предусмотрено много типов материалов - от простых до многослойных и многокомпонентых. Материал чаще всего содержит несколько текстурных карт. Текстурная карта - это не что иное, как плоское изображение, описывающее различные свойства материала. В качестве текстурных карт может использоваться растровое изображение в привычных форматах JPEG, BMP или TIF либо карта, получаемая на основе математических алгоритмов 3ds max. Такая текстурная карта называется процедурной. В качестве примера процедурной карты можно назвать градиентные текстуры или текстуры зашумления.

При создании фотореалистичных (или просто реалистичных) сцен применяются растровые текстуры, сфотографированные либо отсканированные. После сканирования их необходимо обработать в программе 2d-графики. В качестве приложения для обработки фотографий нужно использовать программу Adobe Photoshop, которая является признанным стандартом в этой области.

Художники, уверенно владеющие кистью, углем или другим традиционным инструментом, могут попробовать создавать текстуры в пакете Painter. При его использовании рекомендуется пользоваться планшетом.

При работе с текстурами возникает проблема их наложения на объект (mapping). Суть ее состоит в том, что текстура представляет собой прямоугольное изображение, а объект, на который она накладывается, имеет, как правило, сложную форму. Решение этой проблемы заключается в правильном выборе и использовании проекционных координат. Понять смысл их использования довольно просто: прямоугольная текстура проецируется на параллелепипед, цилиндр или сферу. Затем настраиваются параметры этих промежуточных объектов, и только потом текстура проецируется на объект. Для более сложных случаев применятся разворачивание текстурных карт (unwrap). Спроецированная текстура преобразовывается в плоскую, дорисовывается в программе 2d-графики и затем проецируется снова.

Создание качественных текстур зачастую является проблемой для начинающего Зd-художника. В Интернете есть сайты, с которых можно бесплатно скачать высококачественные текстуры.

Этап 3: создание освещения

После того как вы создали свою модель и назначили ей нужные материалы, необходимо расставить в сцене источники освещения. В работе очень важны их типы, параметры и особенности.

Создавая освещение, постарайтесь как можно больше заимствовать у реальных сцен и фотографий. Источники света в реальном мире никогда не бывают белыми. Их цвет колеблется от светло-голубого до светло-красного. Это определяет общее цветовое настроение сцены.

Трехмерная сцена не должна быть засвечена или освещена слишком тускло. При создании освещения любой объект сцены, который имеет какую-либо смысловую нагрузку, должен быть отчетливо виден по сравнению с остальными. Если не использовать сложные алгоритмы непрямого освещения, то иногда для подсветки каждого объекта требуется до трех источников света! Их общее количество в сцене может возрасти до десяти и даже более.

Если в вашей сцене много источников света, не забывайте исключать ненужные объекты из списка освещения для того или иного источника. Это упростит работу и ускорит просчет сцены. Если готовите освещение для анимации, следите за тем, чтобы при перемещении объектов на сцене оно оставалось адекватным и не теряло своего смысла.

Сложную сцену можно эффективно осветить буквально двумя-тремя точечными источниками света. Это достигается за счет реализации алгоритмов непрямого (или рассеянного) освещения. Ранее один из них, Radiosity, был доступен только в программе Lightscape, предназначенной в основном для архитектурной визуализации. В настоящее время эти алгоритмы наиболее важны при разработке дизайна интерьеров.

При имитации непрямого освещения лучи света преломляются и отражаются по мере перемещения по сцене, что создает физически корректную картину освещения - подсветку получают участки сцены, не находящиеся в прямой видимости с источниками света. Естественно, что время подобных расчетов существенно больше, чем при использовании стандартного освещения.

Этап 4: анимация

Методов моделирования, как и методов анимации, довольно много. В самом общем случае анимацию делят на линейную и нелинейную.

Линейной анимацией называют такую анимацию, когда движения рассматриваются внутри некоторого интервала и при этом не происходит перемещения этого интервала, совмещения его с другими и прочих действий с несколькими интервалами.

Такую анимацию можно (тоже довольно условно) разделить на анимацию движения объекта и его деформацию. Анимация движения выполняется достаточно просто - с помощью трансформаций перемещения, поворота и масштабирования. Деформация объекта выполняется либо с использованием модификатора Flex (Гибкость), либо с применением костей (bones). Кости - это элементы иерархии скелета - невизуализируемого объекта, который вставляется внутрь деформируемого объекта. При перемещении костей за ними тянутся близлежащие элементы сетки и возникает эффект управления поверхностью объекта с помощью костей. Кости создаются и настраиваются в Character Studio либо в одном из многочисленных плагинов скелетной анимации, например Bones Pro от компании Digimation.

Как анимация движения, так и скелетная анимация чаще всего первоначально задаются при помощи ключевых кадров. Они определяют положение и форму объекта в конкретные моменты времени. Затем ключевые кадры настраиваются и перемещаются посредством специальных инструментов анимации.

Помимо ключевых кадров для анимации двуногих персонажей может применяться технология Motion Capture (Захват движения). Ее суть в том, что на актера надевают специальные датчики положения и он выполняет движения, присущие персонажу. Эти данные записываются и преобразовываются в специальный формат, который распознает Character Studio и затем передает движение скелету компьютерного персонажа.

Этап 5: визуализация

Визуализация - это процесс получения двумерного изображения текущей сцены или анимации. Неподвижное изображение затем может быть записано в один из растровых форматов (TGA, TIF, JPG и пр.), а анимация - либо в анимационный формат (AVI, MOV, FLIC и др.), либо в растровые изображения (file0001.tif, file0002.tif, ..., file0100.tif - для последовательности из 100 кадров).

Время визуализации часто бывает значительным. Оно сильно зависит от геометрии сцены (то есть количества полигонов), разрешения используемых текстурных карт, количества источников света и алгоритмов освещения. Поэтому все визуализации условно делятся на предварительные и финальные (конечные).

При предварительной визуализации выполняется ряд упрощений:

задается меньший размер выходного изображения;
могут быть отключены тени, текстуры и упрощена обработка источников света;
упрощаются алгоритмы непрямого освещения;
уменьшается количество отражений и преломлений луча при трассировке лучей;
при анимации визуализируется не каждый кадр, а каждый n-й.

Самым быстрым, простым и наименее качественным способом визуализации является предварительный просмотр (preview). Конечное изображение при этом строится на основе видов из окон проекций.

Финальная визуализация даже небольшого анимационного фрагмента может занимать до нескольких суток или даже недель при работе на одном компьютере. Поэтому в 3ds max предусмотрена возможность сетевой визуализации, когда при расчете одного и того же проекта используется несколько компьтеров.

Dark Lich

© CopyRight by Dark Lich

Использование материалов электронной книги возможно только с письменного разрешения. В противном случае любая перепечатка материалов книги (даже с установленной ссылкой на источник) является нарушением "Закона об авторском праве и смежных правах".