/>/>Содержание/>
Введение
1. Автоматизированное рабочего место
1.1 Характеристика основныхэлементов АРМ
1.2 Системные требования кперсональному компьютеру и программному обеспечению
2. 3D–моделирование
2.1 3D: три измерения
2.2 Состав 3D-модели. Создание3D-моделей
2.3 Скульптурное моделирование
2.4 Создание 3D-модели: придатьпростому вид сложного
2.5 Трехмерное моделирование
2.6 3D-текстуры
2.7 Риггинг 3D-модели
2.8 3D-анимация: как этоделается
2.9 Скелетная анимация, прямаяи инверсная кинематика
2.10 Частицы в 3D-графике:Particle Systems
3. Понятие трехмерной графики и программы 3D-моделирования
3.1 Понятие трехмерной графики
3.2 Обзор существующих программ3D-моделирования
3.3 Применение и преимуществатрёхмерного моделирования
4. Создание клипа (3D-анимации) с помощьюпрограммы iClone
5. Общие требования по техникебезопасности
Заключение
Список использованной литературы
Приложение
/>Введение
В современных условияхдля реализации функциональных задач в любой предметной области необходимоиспользование автоматизированных рабочих мест на базе профессиональныхперсональных компьютеров. Например, в сфере экономики на таких АРМ можноосуществлять планирование, моделирование, оптимизацию процессов, принятиерешений в различных информационных системах и для различных сочетаний задач. Длякаждой предметной области необходимо предусматривать АРМ, соответствующие ихназначению. Хотя принципы создания любых АРМ должны быть общими: системность, гибкость,устойчивость, эффективность.
До недавнего времениосновными методами выполнения графических материалов являлись черчение,рисунок, живопись, макетирование и другие виды работ, выполняемых вручную.
Появлениевысокопроизводительных персональных компьютеров, создание большого количестваграфических программ различного назначения, в том числе объёмного моделирования
Средства современнойкомпьютерной графики развиваются стремительными темпами. Это связано с быстрымувеличением аппаратных мощностей графической системы персональных компьютеров.С другой стороны это развитие связано с потребностями конечных пользователей.
Графика в виде 3D(трехмерная) выглядит намного реалистичней чем традиционная двухмерная графика,кроме того, она позволяет представить объект в том виде, в котором он можетбыть в реальности, рассмотреть его со всех сторон.
Все это позволилотрехмерной графике найти широкое применение как в индустрии развлечений,например при создании графики для компьютерных игр, в том числе и браузерных,так и в серьезных системах, которые нашли применение в архитектуре, дизайне,проектировании деталей и целых объектов.
Целью данной работыявляется рассмотрение существующих программ 3D графики: 3D Studio MAX, iClone, Blender,выявление их возможностей, а так же анализ истории разработки программ 3D,направлений их дальнейшего развития и рассмотрение принципов ихфункционирования; практическое применение программы iClone для создания 3D-анимации.
Объектом работы являетсяпрограммное обеспечение для работы с графикой и анимацией.
1. Автоматизированное рабочего место
Автоматизированноерабочее место (АРМ), или, в зарубежной терминологии, «рабочая станция» (work-station), представляет собой место пользователя-специалистатой или иной профессии, оборудованное средствами, необходимыми дляавтоматизации выполнения им определенных функций. Такими средствами, какправило, является ПК, дополняемый по мере необходимости другимивспомогательными электронными устройствами, а именно: дисковыми накопителями,печатающими устройствами, оптическими читающими устройствами или считывателямиштрихового кода, устройствами графики, средствами сопряжения с другими АРМ и слокальными вычислительными сетями и т.д. Hаибольшее распространение в мире получили АРМ на базепрофессиональных ПК с архитектурой IBM PC.
Для каждого объектауправления необходимо предусматривать АРМ, соответствующие их значению. Однакопринципы создания любых АРМ должны быть общими: системность, гибкость,устойчивость, эффективность.
Согласно принципу системности,АРМ следует рассматривать как системы, структура которых определяетсяфункциональным назначением.
Принцип гибкости означаетприспособленность системы к возможным перестройкам, благодаря модульности построениявсех подсистем и стандартизации их элементов.
Принцип устойчивости заключаетсяв том, что система АРМ должна выполнять основные функции независимо отвоздействия на нее внутренних и внешних возмущающих факторов. Это значит, чтонеполадки в отдельных ее частях должны быть легко устраняемы, аработоспособность системы быстро восстанавливаема.
Эффективность АРМ следуетрассматривать как интегральный показатель уровня реализации приведенных вышепринципов, отнесенного к затратам на создание и эксплуатацию системы.
Функционирование АРМможет дать желаемый эффект при условии правильного распределения функций инагрузки между человеком и машинными средствами обработки информации, ядром которойявляется компьютер.
АРМ могут бытьиндивидуальными, групповыми, коллективными. Применительно к групповым и коллективнымАРМ в целях эффективного функционирования системы ЭВМ — специалистам (коллективу)необходимо ужесточить требования к организации работы АРМ и чётко определитьфункции администрирования в такой системе. Система АРМ, являющаяся человеком — машиной, должна быть открытой, гибкой, приспособленной к постоянному развитию исовершенствованию. В такой системе должны быть обеспечены:
— максимальнаяприближённость специалистов к машинным средствам обработки информации;
— работа в диалоговомрежиме;
— оснащение АРМ всоответствии с требованиями эргономики;
— высокаяпроизводительность компьютера;
— максимальнаяавтоматизация рутинных процессов;
— моральная удовлетворенностьспециалистов условиями труда, стимулирующая их творческую активность, вчастности, в дальнейшем развитии системы;
— возможностьсамообучения специалистов.
Структура АРМ — этосовокупность его подсистем и элементов. К обеспечивающим системам в первую очередьследует отнести: техническое, информационное, программное и организационноеобеспечение. Кроме того, существует целый ряд подсистем.
Техническое обеспечениепредставляет собой комплекс технических средств, основой которого служитпрофессиональный персональный компьютер, предусматривающий работу специалистабез посредников (программистов, операторов и др.). У групповых АРМ такимкомпьютером могут пользоваться 4 — 6 человек. В комплект профессиональногоперсонального компьютера входят процессор, дисплей, клавиатура, магнитныенакопители информации, печатающие устройства и графопостроители.
Организационное обеспечениепредусматривает определение и документальное оформление прав и обязанностейпользователей АРМ.
Программное обеспечениесостоит из системного программного обеспечения и прикладного. Основойсистемного обеспечения является операционная система и системыпрограммирования.1.1 Характеристика основных элементов АРМ
Рассмотрим основныесоставляющие элементы АРМ. Основным устройством ПЭВМ является микропроцессор,который обеспечивает выполнение различных операций, содержащихся в программе. Внастоящее время наибольшее распространение получили 32- разрядныемикропроцессоры, но уже очевидно, что скоро на смену им придут 64-разрядныемикропроцессоры. Разрядность означает длину рабочего слова в двоичном коде.Микропроцессоры также различаются по тактовой частоте, с которой они работают.Чем больше тактовая частота и разрядность, тем выше производительностьпроцессора. Выполнение нескольких десятков миллионов операций в секундуявляется обычным делом для ПЭВМ.
Производительность ПЭВМзависит также и от количества памяти, с которой она работает. Память бываетосновная и внешняя.
Основная память состоитиз двух компонентов: постоянного запоминающего устройства (ROM или ПЗУ) иоперативного запоминающего устройства (RAM или ОЗУ). В ОЗУ хранитсядинамическая информация программы и обрабатываемые данные. При выключениипитания содержимое ОЗУ теряется. ПЗУ, как правило, гораздо меньше ОЗУ,информация в нем хранится постоянно и ее изменение либо вообще невозможно, либовозможно только при помощи специальных устройств (программаторов ПЗУ). Емкостьпамяти 64-разрядных ЭВМ как правило 512 Мб и более.
Внешние запоминающиеустройства (ВЗУ) также бывают разных типов.
Ленточные накопителислужат для хранения информации на магнитной ленте. В настоящее время могутхранить до нескольких сотен гигабайт (1Гб = 1024 Мб) информации. Несмотря нато, что эти устройства появились довольно давно они до сих пор широкораспространены, главным образом из-за большого объема вмещаемых данных, ииспользуются в основном для резервного копирования и длительного храненияинформации. Дисковые накопители в настоящее время наиболее широкораспространены. Их можно разделить на несколько групп: а) Накопители на гибкихдисках (флоппи дисках). Несмотря на сравнительно низкую емкость дискет (от 1 до3Мб) в настоящее время очень широко распространены главным образом из-за низкойстоимости. б) Накопители на жестких дисках (винчестеры). Распространены такжешироко, как и накопители на гибких дисках, но имеют гораздо большую скоростьпередачи данных, большую емкость и надежность хранения информации. Стоимостьвинчестеров постоянно падает, а скорость, надежность и емкость (жестким дискомобъемом 100-120 Гб сейчас уже никого не удивишь) возрастают. Все это делает ихнезаменимым атрибутом любой современной ПЭВМ. в) Все большее распространение внастоящее время получают накопители на лазерных дисках (CD-ROM). г) Существуеттакже целый ряд других ВЗУ по разным причинам не получивших в настоящее времяширокого распространения (магнитооптические диски, диски Бернулли, WORM-диски идр.). Некоторые виды накопителей (перфоленты, перфокарты, магнитные барабаны ипр.) сильно устарели и в современных ПЭВМ вообще не используются. Дисплей — основное устройство для отображения информации. Характеризуются размеромэкрана, максимальным разрешением и пр. Чем больше размер экрана и чем большеразрешение, тем, соответственно больше информации можно на нем разместить.Клавиатура — основное устройство для ввода информации.
Существуют такжеустройства, облегчающие работу оператора, такие, как мышь, световое перо и пр.Также для ввода информации широко используются сканеры. Большое будущее заустройствами распознавания и синтеза речи, распознавания изображения.
Все устройства ПЭВМвзаимодействуют через системную магистраль. Однако из ВЗУ информация сначаладолжна быть переписана в ОЗУ и лишь тогда она становиться доступной процессору.1.2 Системные требования к персональному компьютеру и программному обеспечению
Конфигурация ПК:
· Процессор AMD Athlon-64 X2 SocketAM2;
· Память DDR2 1024Mb;
· Жесткий диск SAMSUNG 400GB SATA-II;
· Монитор Acer AL1717, 17" LCD;
· Разрешениеэкрана: 1280x 1024;
· Видеокарта PCI Express 256 MbGF8600GT 128bit GDDR3;
· ТипBIOS: AMI;
· Операционная система: Microsoft Windows XP Professional;
Программное обеспечение. Программноеобеспечение — совокупность программ системы обработки информации и программныхдокументов, необходимых для эксплуатации этих программ. Программное обеспечениеявляется одним из видов обеспечения вычислительной системы, наряду стехническим (аппаратным), математическим, информационным, лингвистическим,организационным и методическим обеспечением.
Программное обеспечениепринято по назначению подразделять на: системное, прикладное иинструментальное.
Системное программноеобеспечение – это комплекс программ, которые обеспечивают эффективноеуправление компонентами вычислительной системы, такими как: процессор,оперативная память, каналы ввода-вывода, сетевое оборудование. В отличие отприкладного программного обеспечения, системное не решает конкретные прикладныезадачи, а лишь обеспечивает работу других программ, управляет аппаратнымиресурсами вычислительной системы и т.д.
Прикладная программа илиприложение – программа, предназначенная для выполнения определенныхпользовательских задач и рассчитанная на непосредственное взаимодействие спользователем. В большинстве операционных систем прикладные программы не могутобращаться к ресурсам компьютера напрямую, а взаимодействуют с оборудованием ипрочим, посредством операционной системы.
Инструментальное программноеобеспечение – программное обеспечение, предназначенное для использования в ходепроектирования, разработки и сопровождения программ. Обычно этот терминприменяется для акцентирования отличия данного класса ПО от прикладного исистемного программного обеспечения.
Системные требования ккомпьютеру для создания 3D-анимациивключают в себя следующее. Операционная система: Windows 7 / Windows Vista /Windows XP (с пакетом обновления 2 или более поздней версии). Поддержка32-битных и 64-разрядной операционной системы.
Минимальные системныетребования:
· Pentium4 2 ГГц;
· 1GB RAM;
· 2 Гб свободногопространства на жестком диске;
· Разрешениеэкрана: 1024 x 768;
· Глубина цвета:True Color (32-разрядная версия) ;
· Видеокарта: NvidiaGeForce7 серии или выше / ATI X1300 или выше;
· Поддержка DirectX9.0c
· Видео память: 512Мб RAM;
· Windows XP SP2 /Vista
Рекомендуемые системныетребования;
· Двойной ядрапроцессора или выше;
· 2GB RAM или выше;
· 2 Гб свободногопространства на жестком диске или выше;
· Разрешениеэкрана: 1024 x 768 или выше;
· Видеокарта:Nvidia GeForce 8 Series или выше / ATI HD 3000 Series и выше;
· Видео Память:512MB RAM или выше;
· Windows XP SP2 /Vista
Дополнительныетребования:
· 3-кнопочная мышь;
· DirectX 9;
· Итернет-соединение,необходимое для онлайн активации;
Особенности:
- фото Realistika3D-модели быстро и легко;
- персональнаявиртуальный вид, характер, масштаб, телом, волосами, предметы, одежду, предметыснабжения и структуры;
- анимация захватадвижения похожа на реальность танца и естественного человеческого движения;
- синхронизациямузыки — автоматическая синхронизация движений в ритме музыки;
- редактор Движения- творческий потенциал, который не ограничивается только вашей виртуальнойвозможности при создании модели;
- поддержка 2D/3Dсцен;
2. 3D–моделирование
3D-моделирование – это создание 3-х мерной модели мира припомощи формы и цвета. 3D-модель – это не изображение, а именно модель мира.Задача художника максимально ярко, объемно и правдоподобно отразить предмет, ине важно – реальный он или вымышленный. Рассмотрим более подробно что такоевершины, грани, полигоны, текстуры и карты нормалей, можно попробоватьпредставить себе, как происходит создание трехмерной модели любого известного нами неизвестного персонажа для мультфильма, кино, рекламы, компьютерной игры ит.д. в любой студии трехмерной графики.2.1 3D: три измерения
3D – подразумеваем трехмерная графика. Собственно 3D сокращенное от английского 3 Dimensions, или по-русски – три измерения. Этокак в курсе математики в старших классах, есть геометрия, а есть –тригонометрия. Вот геометрия – это фигуры 2D, а тригонометрия – 3D. 3Dграфика стала следствием развития компьютерной графики вообще. Когда компьютерынаучились воспроизводить 2Dизображения на достаточно хорошем уровне, дизайнеры захотели из художниковпревратиться в скульпторов или строителей, но обязательно получить объемноецифровое изображение на компьютере, которое бы можно было рассмотреть со всехсторон. На сегодняшний день 3Dназывают всю совокупность приемов и инструментов (как программных, так иаппаратных), призванных обеспечить пространственно-временную непрерывностьполучаемых изображений.
Применяется 3D графика практически во всех отраслях:архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх,печатной продукции, в науке, медицине и т.д. Где она более заметна и очевидна,где-то мы и не подозреваем, что это компьютерная графика.
Или при просмотре фильма всегдаможно отличить, где настоящий человек загримирован под чудовище, а где чудовищацеликом и полностью трехмерные. Чаще всего — кинокадр это смешение живой съемкии компьютерной графики.
Рассмотрим, что позволяет3D-изображению быть трехмерным.Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрическойпроекции 3D моделей в сцене на экране компьютерас помощью специальных программ.
При этом в 3D можно создать все, что угодно, любоенечто: это может быть фотореалистичный дом, например, который никто и неотличит, а может быть летающий корабль, который никто никогда не видел. Причемон будет вписан в сцену так, что все поверят. Модели могут быть созданы пообразу и подобию конкретного объекта: модель с машины, упаковки любого товара,платья из коллекции, даже человека можно «замоделить» с портретной схожестью. Аможет быть создано просто дерево, или просто цветок, или просто гора, для этогоиспользуются фрактальные генераторы.
Следующий термин, которыйхочется объяснить: создание 3D.Процесс непростой и состоит из двух основных этапов:
Моделирование – созданиемодели сцены и объектов в ней.
Рендеринг – построениепроекции созданной модели в выбранном ракурсе.
Внутри этих этаповпроизводства 3D есть еще много нюансов, которыепослужат темами еще ни одной статьи.
Теперь, когда появиласьвозможность создавать трехмерные модели, дизайнеры хотят, чтобы этатрехмерность была доступна в полном объеме всем зрителям. Уже созданы 3D кинотеатры, 3D принтеры, 3D мониторы, 3Dтелевидение. Но над этими разработками еще работать и работать, пока каждыйчеловек в своей картине сможет увидеть 3D изображение в объеме.
2.2 Состав 3D-модели. Создание 3D-моделей
Трёхмерная модель состоит- вершины, грани, полигоны, текстуры, карты нормалей (Рисунок 1).Вообще,если приходится объяснять в подробностях, что из себя представляет трёхмернаямодель, неизбежно придётся забираться в геометрические дебри, — без них никак.
Вершина (ед. Vertex, мн.Vertices) — грубо говоря, это абстрактная геометрическая точка с координатамиX, Y и Z. Вершиной она называется, впрочем, потому, что является крайней точкойлибо замкнутого полигона (плоского многоугольника), либо объёмной фигуры.
Грань (Edge) — отрезокпрямой, соединяющий две вершины. Опять же, в трёхмерной графике это несамостоятельное нечто, а лишь ограничитель для полигонов.
Полигон (poly, polygon) — основная функциональная составляющая: плоская многоугольная фигура (обычнотрёхмерные редакторы и другие приложения предпочитают оперировать толькотреугольниками и четырёхугольниками), из множества которых состоит поверхноститрёхмерной фигуры.
Любую даже самую сложнуюфигуру или поверхность можно представить в виде множества простых фигур: такаяидеальная фигура, как шар (точнее, сфера), в компьютерной графике в любомслучае представляется в виде множества треугольников и четырёхугольников. Чемих будет больше, тем выше степень приближения, то есть, тем более гладкой, темболее сферической будет поверхность. Но опять-таки, это вопрос степениприближения.
/>
Рисунок 1 — Трёхмернаямодель
Текстура — изображение,покрывающее поверхность трёхмерной фигуры, используется для придания трёхмернойфигуре материальной достоверности. О текстурах и материалах подробно речьпойдёт в следующей части.
Нормаль и карта нормалей- нормалью называется вектор, перпендикулярный поверхности в каждой данной еёточке. Карта нормалей — это определённого рода текстура, цветовая информациякоторой (то есть, цвет каждого пикселя) считывается как информация орасположении нормали каждой точке того или иного объекта; с помощью картынормали можно сформировать иллюзию более сложной поверхности, чем она есть насамом деле.
Это нужно для экономииполигонов. Благодаря картам нормалей низкополигональным моделям можно придатьвид очень высокополигональных (естественно, с известной долей приближения, новсё-таки). Ранее эта технология не слишком активно применялась по той причине,что карты нормали были крайне сложны в изготовлении — до появления такихпакетов, как MudBoxи ZBrush (и Blender3D), в которых поддерживается технология «скульптурного»моделирования, изготовить правильную карту нормалей было подчас задачей весьмаи весьма нетривиальной.
В 2004 году id Softwareвыпустили Doom III, где Normal Mapping использовался повсеместно, и с тех порэта технология стала уже некоторым образом «общим местом» (Рисунок 2). Особеннов силу того, что «скульптурное» моделирование значительно облегчает жизнь вплане дизайна.
/>
Рисунок 2 – NormalMapping
2.3 Скульптурное моделирование
Скульптурноемоделирование — этоимитация ваяния, точнее, лепки из пластилина или глины. Инструментарий, которыйпредоставляют MudBox, ZBrush и Blender,позволяет производить над моделью массу хитроумных манипуляций, в точности так,как если бы она была из глины или какого-то другого подобного материала. В ZBrush даже цвет по умолчанию оченьхарактерный: глинисто-красный (Рисунок 3).
/>
Рисунок 3 – Zbrush
Но это — сотни тысяч,миллионы полигонов. А качественно снятая карта нормалей, как уже сказано выше,позволяет создать иллюзию множества мелких деталей на совсем простойповерхности.2.4 Создание 3D-модели: придать простому вид сложного
Создадим самоепримитивное: кубик (8 вершин, 6 граней, 12 рёбер — базовая структура) (Рисунок4).
/>
Рисунок 4 — Кубик
Теперь у нас в программеесть режим «лепки». Используем по полной: подвергнем форму кубику ужаснымистязаниям (Рисунок 5):
/>
Рисунок 5 — Режим «лепки».
В результате у насполучилось: высокополигональная, детализированная фигура с очень сложнойповерхностью, где счёт вершинам и полигонам переваливает за 45 тысяч. А если мызададим нашему компьютеру задание: «преврати вот эту штуку в плоскую картинку,чтобы мы другу послали ее или напечатали на принтере» – то компьютер будеточень долго думать над этой задачей.
Между тем, с помощьюкарты нормалей самым простым фигурам можно придавать вид очень сложных. Например,идеально гладкой поверхности придать вид заметной шершавости.
Путём не слишком хитрых(но и не слишком простых) манипуляций получаем пресловутую карту нормалей: всущности, это не более чем текстура, правда, со своим особым цветовымпространством, где цветовая информация — а именно, комбинация красного (R),зелёного (G) и синего (B) цветов для каждого пикселя – описывает его видимоеположение в системе координат X, Y и Z, каждый цвет соответствует одной из осейкоординат. Вот так выглядит карта нормалей (Рисунок 6):
/>
Рисунок 6 — Картанормалей
Потому что для еёполучения потребовалось сделать UV-развёртку, т.е. осуществить развёрткуповерхности трёхмерной фигуры на плоскость. Накладываем карту нормалей. (Рисунок7).
/>
Рисунок 7 — Наложениекарты нормалей
Наложение карты нормалейи Voila удалось не полностью, потому что в сложной фигуре были искривленыбоковые грани, и существенно. А на простом кубе они остались на месте. Если быони были скруглены и искажены примерно так же, как у высокополигональнойфигуры, карта нормалей смотрелась бы намного более убедительно.
Кроме того: лунки награнях высокополигональной фигуры слишком глубокие. Карты нормалей хороши длятого, чтобы имитировать небольшие шероховатости, а не глубокие рытвины наплоской поверхности. Более того, если поверхность с наложенной картой нормалейоказывается под большим углом к зрителю (как на иллюстрации), обман становитсяочевиден. Опять-таки: карта нормалей позволяет экономить на полигонах, но лишьдо известного предела. Вот так и создается любая 3D модель.2.5 Трехмерное моделирование
Речь пойдёт отрадиционных методах 3D-моделирования,оставляя в стороне пакеты скульптурной трехмерной графики. Наиболееупотребительный технический прием – это формирование модели из «примитива»,простой геометрической фигуры, плоской или объёмной, которая, путёмвсевозможных трансформаций приобретает нужные моделлеру очертания.
Иногда 3D модель формируется из нескольких «примитивов»,но тут есть свои нюансы: в частности, для текстурирования очень желательно,чтобы у такой модели не было невидимых, «внутренних» граней (или даже ихфрагментов), а при стыковке нескольких примитивов подобное – не редкость.
Для борьбы с подобной «напастью»применяются булевы операции (booleans) (Рисунок 8). Если не вдаваться в избыточные подробности, тооперация объединения (union)позволяет составить из двух соприкасающихся или пересекающихся объектов один,чья поверхность состоит из суммы поверхностей исходных объектов, за вычетом техобластей, где происходит пересечение.
Что касается деформаций впроцессе трехмерного моделирования, то здесь ключевыми можно назвать экструдирование(extrude) отдельных элементов — вершин, рёбери/или граней. Разделение (subdivide), при котором ребро или грань разбивается на несколько равных частей, иперемещение и вращение отдельных элементов, так что любой кубик можно закрутитьв бараний рог, в самом буквальном смысле (Рисунок 9).
Есть и чуть более«экзотические» приёмы, такие, как «разрезание» одной или нескольких граней (илиодного или нескольких рёбер) в произвольных местах (Loop Subdivide, Knife Subdivide и т.д., названия могут меняться отпакета к пакету).
/>
Рисунок 8 — Булевыоперации
/>
Рисунок 9 – Деформации
Задачу 3D-моделлера можно исчерпывающимобразом сформулировать, перефразировав древнее изречение: главное – найти втрехмерном примитиве душу и «убрать всё лишнее».
Форму исходной фигуры,т.е. исходного примитива стоит выбирать, исходя из представлений о конечномоблике планируемого 3Dтворения – это, в общем-то, совершенно очевидные вещи.
Но не на одних толькопримитивах свет клином сошёлся: помимо них есть смысл использовать примоделировании NURBS и/или кривые и поверхности Безье (Besier Curves, Besier Patches).
«Высшим пилотажем», хотяи не то, чтобы слишком сложно осваиваемым, можно назвать 3D-моделирование с помощью кривых (curves) и направляющих (path) (Рисунок 10).
/>
Рисунок 10 — 3D моделирование с помощью кривых (curves) и направляющих (path)
Показательный пример –это формирование с помощью одной или нескольких кривых контура, вдоль которогопотом выстраиваются другие геометрические фигуры. Например, шланг или изогнутыйствол дерева удобнее всего моделировать из множества окружностей, «нанизанных»на направляющую кривую.
Использование кривых исплайнов позволяет добиться особой гладкости 3D модели, минимизируя заметность полигонов.
Очень полезно также при 3D моделировании использованиевсевозможных средств дубликации: расхожий пример – формирование винтовойлестницы (Рисунок 11). Вручную её собирать – долго и мучительно. Однако процессвполне можно автоматизировать – разные 3D-пакеты предоставляют разные средства для этого.
/>
Рисунок 11 — Средстводубликации
В любом случае, чембольшим количеством инструментов из числа предоставляемых тем или иным пакетомвладеет моделлер, тем проще дается 3D моделирование работать и тем больше времени он сэкономит.2.6 3D-текстуры
Допустим, у нас созреланекоторая модель – и выглядит она пластмассовой: единый ровный цвет, ровнаяповерхность. Надо ее раскрасить. Для этого существуют т.н. материалы итекстуры.
Материал – это комбинацияфизических свойств модели: какой её основной цвет, как она поглощает,преломляет, пропускает, рассеивает или отражает свет, какова фактура поверхностии так далее. Эти параметры регулируются с помощью шейдеров – программ,используемых для определения окончательных параметров объекта или изображения(в том числе произвольной сложности описания поглощения и рассеяния света, отраженияи преломления, затенения, смещения поверхности, эффектов пост-обработки иналожения текстур) и самих текстур, – растровых изображений, с помощью которыхполигональной поверхности можно придать нужную окраску и/или иллюзию рельефа. Внекоторых пакетах с помощью текстур можно воздействовать на карты нормалей идругие характеристики поверхности, связанные с поглощением или отражениемсвета.
Текстурирование – неменее значимый процесс в создании трёхмерной графики, чем непосредственномоделирование, а может быть, и более; и в чём-то он даже более сложен восвоении, нежели работа с полигонами (Рисунок 12).
Подобрать правильную «одёжку»и, самое главное, правильно её расположить на поверхности модели – задачатрудоёмкая и каверзная, особенно, если поверхность сложная.
Возьмём два примера.Первый – это текстурирование определённого природного ландшафта. Тут оченьуместно вспомнить, как выглядят открытые пространства в таких играх, как World of Warcraft или других фэнтезийныхмассивно-многопользовательских играх.
На рисунке 12 видно:нерегулярная поверхность, ландшафт с возвышениями и впадинами, имитация грунта –песка, травы, воды, в воздухе вон что-то летает… ну, и так далее.Естественно, тут используется множество текстур достаточно высокого разрешения.Но, естественно, не такого высокого, чтобы покрыть весь ландшафт однимрастровым изображением (хотя в id Software разработана технология Megatexture, позволяющая поступать как раз такимобразом – одной картинкой накрывать весь огромный ландшафт как стол скатертью).
/>
Рисунок 12 — Текстурирование
По традицииизготавливаются изображения – квадратные или прямоугольные, со сторонами, чьиизмерения строго кратны 16 (256х256, 512х512, 2048х2048, 2048х512 и так далее).Чем больше изображения, тем более подробными они будут выглядеть в сцене или вигре, тем больше деталей удастся передать. Но габариты изображения – это ещё иразмеры графического файла, и объёмы занимаемой оперативной памяти.В движке Quake III существовало ограничение: 4 мегабайта текстур на всюкарту. Что очень и очень немного, особенно по нынешним временам.
Текстуры должныстыковаться друг с другом бесшовно, что требует их особой подготовки. Наиболеепростой, но небезотказный способ – это деление исходного изображения, например,фотографии, на четыре равных блока и перекрёстное перемещение этих фрагментовдруг относительно друга как на вот этой схеме:
[A]-[B]
[C]-[D]
_____
[D]-[C]
[B]-[A]
После чего надозамазывать (например, с помощью штампа в Photoshop) образовавшиеся внутренние швы. Атакже маскировать повторяющиеся фрагменты: текстуре (Рисунок 13), изображающей,например, траву или песок, стоит выглядеть насколько возможно реалистично, содной стороны, и однородно – с другой; при наложении на крупную поверхностьповторяющейся текстуры, эффект черепицы (tiling) – явного повторения одних и тех же узоров, увы,неизбежен, но его можно хоть как-то спрятать. Если текстура имеет высокоеразрешение, то tiling почтинезаметен с близкого расстояния, зато более чем заметен издали.
/>
Рисунок 13 — Текстура
И без особогоудовольствия увидим многочисленные «квадратики» на земле – повторяющиесятекстуры. При нахождении вблизи поверхности их почти не заметно.
Способов комбинироватьнесколько текстур существует множество – например, в трёхмерных редакторахможно назначать разные материалы (и, соответственно, разные текстуры) на разныегруппы вершин на одной и той же поверхности; можно использовать трафареты (stencil) для того, чтобы указывать, где однатекстура будет полностью или частично прозрачной, а где – нет, и где,соответственно, из-под неё будет выглядывать другая.
Второй пример – этонекрупная трёхмерная модель, требующая достаточно сложной, но единой текстурыдля всей своей поверхности.
И здесь мы упираемся в UV-развёртку
UV-развёртка – это проекция всейповерхности объёмной фигуры на плоскость для последующего расположения на нейрастровых изображений (можно вспомнить старые игры типа Quake I или II ипроцесс изготовления «скинов» для моделей игроков – это как раз рисованиетекстур по заданной для каждой модели UV-развёртке). Если совсем «на пальцах», то UV-развёртка – это «разрезание» трёхмерной фигуры по заданнымшвам, так, чтобы она могла лечь на плоскость с минимальными искажениямипропорций.
Это нужно, чтобы избежатьмасштабных искажений текстуры – чтобы на разных фрагментах модели одно и то жерастровое изображение имело одинаковое разрешение. На практике такого добитьсяудаётся довольно редко, но нужно добиться хотя бы относительного единообразия.
Первое правило: всяповерхность фигуры должна лечь на плоскость «одним слоем», а то на деле бываетиначе – если швы неправильно выставлены.
Правило второе: развёрткадолжна быть как можно более непрерывной; просто для того, чтобы художнику прощебыло ориентироваться по ней. Совсем без «островов» дело вряд ли обойдётся,особенно, если фигура сложная, но и с разбросанными так и сяк маленькимифрагментами радости работать нет никакой.
Правило третье: пропорцииразвёртки должны соблюдаться. Иначе в одном месте фрагмент текстуры будет иметьодно разрешение, а в другом – другое, и выглядеть это будет ужасающе.
После того, как развёрткаготова, её можно экспортировать в любой растровый редактор и использовать вкачестве шаблона, поверх которого рисуется текстура со всеми возможнымидеталями (Рисунок 14).
Далее приведём примерработы с относительно простым объектом:
/>
Рисунок 14 — Развертка
Цельный объект безвнутренних граней, без заданного материала и текстур (Рисунок 15).
/>
Рисунок 15 — Объект безвнутренних граней, без заданного материала и текстур
Оранжевым цветом обозначенышвы (seams), по которым модель будет «разрезаться»для расположения её поверхности на плоскости. По сути дела, UV-развёртка (Рисунок 16) – этопримерно то же, что и портновская выкройка или плоская заготовка бумажноймодели для склеивания.
/>
Рисунок 16 — UV-развёртка
Модель разрезана; вот какбудет выглядеть UV-развёртка(серые линии и красные точки). Сразу поверх неё нарисована текстура. Как видно,«солома» размещена так, чтобы совпадать с ориентацией крыши в пространстве. Безискажений, естественно, не обошлось.
Ну и вот, наконец, вотчто получается в итоге:
/>
Рисунок 17 — Отрендеренная модель
Отрендеренная модель(Рисунок 17). Текстура соломы на крыше выглядит так себе, даже, несмотря нахитрость – пакет Blender 3D, в котором данная модель собрана,позволяет регулировать с помощью текстур нормали, добавляя ощущение неровнойповерхности. С другой стороны, цели показать супермодель с супертекстурамиданный материал и не преследовал. Главное тут – принцип, как это всё делается.2.7 Риггинг 3D-модели
Риггинг (rigging, animationsetup, анимационный сетап). В 3D анимации — это процесс подготовкиперсонажа к анимации, включающий создание и размещение внутри трёхмерной моделирига (от англ. Rig — оснастка),виртуального «скелета» — набора «костей» или «суставов» (bones, joints), установления иерархической зависимости между ними изначений возможных трансформаций для каждой из этих костей (Рисунок 18).
/>
Рисунок 18 — Персонаж свыстроенным ригом
Скелетная анимация, длякоторой и применяется риггинг (а с ним и скиннинг) удобна прежде всего тем, чтопозволяет манипулировать большим количеством составных элементов анимируемойфигуры (конечности, глаза, мышцы лица, губы и т.д.) с помощью относительномалого количества управляющих элементов — тех самых костей и их регулируемых характеристик.
Поскольку между нимиустанавливается иерархическая зависимость, то смещение в пространстве каждойкости, находящейся в зависимости от другой, будет представлять собойсовокупность её собственных трансформаций и трансформаций, которым подвергается«материнская» кость. Другими словами, за смещением кости бедра должно следоватьсмещение костей всей ноги. Грамотная настройка зависимостей позволяетаниматорам значительно экономить усилия, указывая, например, траекториисмещения только для небольшого количества отдельных костей, которые потянут засобой другие, находящиеся в иерархическом подчинении.
Собственно, структурасочленений виртуального скелета даже внешне очень похожа на сочленения скелетау позвоночных. От сложности этой структуры напрямую зависит, насколько онабудет гибкой, и насколько реалистичной получится анимация. С другой стороны,чем больше костей в структуре рига, тем сложнее будет с ним работать. 3D модель с несколькими добавленными «костями»(Рисунок 19). Всё остальное ещё предстоит сделать.
/>
Рисунок 19 — 3D модель снесколькими добавленными «костями»
С риггингом напрямуюсвязан процесс скиннинга (от англ. skin — кожа; интересно, кстати, что в отрыве от контекста 3D графики слово skinning переводится как «свежевание»), — назначения связей между участками поверхности уже самой анимируемой фигуры икостями рига. Иными словами, необходимо, чтобы кость, соответствующая крайнейфаланге пальца, влияла только на нужную группу вершин на поверхностианимированную 3D фигуры, и чтобыне получилось, чтобы изменение положения этой фаланги приводило с загибаниювсей руки персонажа в рогалик. Хотя, конечно, если именно это вам и нужно...
У этого процесса немалосвоих нюансов. Например, необходимо точное определение, какая группа вершин (vertices) подвергается воздействиютрансформаций отдельных костей, чтобы не зацепить ненароком другие; на какиегруппы вершин подвергаются воздействиям более чем одной кости и так далее.
Оптимальным вариантом дляанимации фигуры «двуногого без перьев» является скелет, упрощённо повторяющийструктуру «обычного» человеческого скелета. На него и следует ориентироваться,создавая «кости»; расположение их сочленений должно совпадать с гнущимисяучастками фигуры (колени, логти и другие суставы).
Рёбра, естественно, ни кчему, каждый позвонок на позвоночнике — тоже, но спина всё-таки должнасохранять какое-то подобие гибкости, так что костей в ней всё равно будетмного.
Больше всего «костей»,естественно, придётся задавать для рук — а точнее, пальцев. Здесь структуравиртуальных костей должна быть в наибольшей степени похожа на структуру костейв реальных руках, просто для того, чтобы пальцы сгибались там и так, как имполагается. Длина их также должна обладать «реалистичными» пропорциями: есливзглянем на человеческую руку, то увидим, что фаланги пальцев имеютнеодинаковую длину (Рисунок 20).
/>
Рисунок 20 — Модель кистируки с выстроенным ригом
Далее для костей(отдельных или целых групп, благо в некоторых редакторах предусматриваютсяспециальные управляющие элементы, которые позволяют регулировать характеристикицелых групп костей) необходимо задать значения трансформации, в том числевозможных углов поворота и вращения (например, чтобы пальцы не гнулись куда имне положено).
При анимацииантропоморфных фигур очень полезно иметь хотя бы примерные познания в анатомиии иметь под рукой фотографии натуральных скелетов, чтобы понимать, в частности,как располагаются кости внутри конечностей и корпуса, так, чтобы позвоночник,например, не оказался ближе к животу, чем к спине; куда могут гнутьсяконечности, а куда нет, чтобы не происходило каких-нибудь совсем ужпротивоестественных деформаций.
В свою очередь, если речьидёт о риге для анимации какой-то техники, то нужно представлять себе, какдвигаются её составные части, и опять-таки, что с ними может происходить, ичего не может.
Естественно, обзор этотна детальность не претендует: риггинг — это, в сущности, целая отдельнаяпрофессиональная область, такая же как текстурирование, например. По риггингупишутся целые книги и проводятся многодневные обучающие курсы, ибо слишкоммного тут тонкостей и деталей.
2.8 3D-анимация: как это делается
Определение традиционнойрисованной анимации – «технические приёмы получения движущихся изображений,иллюзий движения и/или изменения формы разнообразных объектов живой и не живойприроды» – к 3D анимации подходит весьма относительно. Правильнее сказать, что3D анимация – это автоматизация перемещения и трансформаций 3D модели впространстве с течением времени.
В основном применяютсятри способа анимации 3D объектов. Первый и простейший — это перемещение ивращение целого объекта, без изменения его формы. Второй — это динамическиедеформации (бьющееся сердце — идеальный пример). Третий, самый сложный, иприменяемый обыкновенно для анимации персонажей, — это скелетная анимация.
В свою очередь, чащевсего в 3D анимации используются три метода: анимация по ключевым кадрам,анимация по кривым движения, и анимация по траекториям (Path).
Анимация по ключевымкадрам в 3D по своему принципу очень похожа на работу традиционных аниматоров,когда главный художник рисует ключевые позы персонажа, а его подчинённыехудожники-позировщики заполняют промежуточные кадры, отрисовывая надлежащиетрансформации фигуры. Разница в том, что роль позировщика выполняет ужекомпьютер (а точнее, соответствующие алгоритмы в программе-редакторе).Аниматору достаточно зафиксировать несколько ключевых положений фигуры,интерполяция осуществится автоматически.
Соответственно, процессвыглядит следующим образом: выбираем первый ключевой кадр (А), фиксируем в нёмизначальное положение объекта; затем выбираем следующий ключевой кадр (Б),трансформируем объект (перемещаем, вращаем, изменяем размеры), фиксируем.Программа далее рассчитывает промежуточный процесс — траекторию движения ивращения между кадрами А в Б, а также — изменения размеров (но не формы),отображая эти изменения в виде кривых движения (Рисунок 21).
/>
Рисунок 21 — Изменения ввиде кривых движения
Кривые движения (Рисунок22) — это, собственно, представление перемещения или трансформации объекта в видеграфиков для каждой из его координат XYZ. Чтобы лучше понять суть этогопроцесса анимации, придётся вспоминать школьный курс математики. С другойстороны, такие кривые и их редактирование, как правило, чрезвычайно наглядны, икогда понимаешь взаимозависимости, проблем особых уже не возникает.
/>
Рисунок 22 — Кривыедвижения
Кривые движения (Loc),вращения (Rot) и изменения размеров (Scale), представленные на одном графике.Это всё то, что претерпевает наша фигура. Скриншоты рабочего окна программыBlender 3D.
Кривые очень удобноиспользовать для точного контроля над каждым параметром; управление ими всовременных пакетах реализуется достаточно наглядно, так, чтобы было минимумпутаницы. Но без постоянного учёта множества всяких параметров, качественной 3Dанимации сделать не получится.
В некоторых пакетах — Blender, например, — функционал ключевых кадров и кривых объединены в одно. Вдругих пакетах помимо кривых отдельно существует ещё и временная таблица, гдевсе изменяемые при анимации параметры представляются как события на временнойшкале.
Ну, и наконец, траектории- это, собственно, они и есть: отдельно задаётся путь перемещения объекта (снаправлением), определяется его скорость и возможные изменения ориентацииобъекта в пространстве, каковая регулируется обычно всё теми же вышеупомянутымикривыми.
Описанные методы испособы как правило используются в комбинациях, особенно, когда речь идёт оболее-менее сложной анимации.
Применяются они и прискелетной анимации, но о ней разговор пойдёт в следующей части.2.9 Скелетная анимация, прямая и инверсная кинематика
Скелетная анимация – этотот самый случай, когда совсем общую теорию объяснить очень просто, а вот добитьсяреальных результатов, тем более, результатов серьёзных оказывается оченьсложно.
Скелетная анимация – этоанимирование 3D-фигуры посредством относительнонебольшого количества управляющих элементов, и внешне и по принципу работы,напоминающие скелет – или строение марионетки.
Как он «изготавливается»,мы рассматривали в статье «Риггинг». От того, насколько разумно и правильнориггинг был выполнен, зависит и результаты первых попыток анимировать что-либо.Если иерархия костей сделана как надо, то и поведение цепочки, равно как ипривязанных к ней вершин, будет «жизнеподобным». Ошибки же могут привести ксовершенно нелепым последствиям: ноги могут «уехать» за голову, например.
При умелом использованиискелетная анимация позволяет значительнейшим образом экономить на усилиях –естественно, гораздо проще двигать несколько «костей», нежели тягать с места наместо группы вершин и полигонов.
Существуют два основныхтипа планирования движения «скелета» – это прямая кинематика (Forward Kinematics — FK) и инверсная, или обратная кинематика (Inverse Kinematics – IK). Их такжевыбирают на этапе риггинга, – впрочем, этот процесс от скелетной анимациивообще неотделим.
Создадим отдельно взятуюцепочку «костей» (Рисунок 23) – без добавления мяса пока что. Все операцииосуществляются в пакете Blender3D, скриншоты, стало быть, тоже оттуда.
/>
Рисунок 23 — Отдельновзятая цепочка «костей»
Видим четыре кости, гдепервая — «родительская», все последующие – находятся в последовательнойиерархической зависимости от предыдущих.
В случае если использоватьпрямую кинематику, то при попытке сдвинуть какие-либо звенья (кости) нижеуровнем, чем родительская, приведут к тому, что двигаться будут тольконижестоящие.
Повернули кость 2, вместес ней повернулись (но остались на одной прямой) кости 3 и 4 (Рисунок 24).
/>
Рисунок 24 – Поворот «костей»
Это прямая кинематика:перемещение старших по иерархии костей приводят к тому, что перемещаются имладшие.
При использованииобратной кинематики алгоритм получается ровно противоположный (Рисунок 25):
/>
Рисунок 25 — Использовании обратной кинематики
Задав режимавтоматического выбора инверсной кинематики (Blender делает вид, что подбирает оптимальный вариант, ииногда вполне успешно), сдвигаем самую младшую в иерархии кость 4; вся цепочкапослушно изогнулась.
Звено цепочки, изменениеположения которого приводит к изменению положения других звеньев, называется effector (Рисунок 26) (существует диковинныйперевод «влиятель»).
/>
Рисунок 26 – Звено effector(«влиятель»)
Подвигали кость 3. Звенья1-2 поменяли своё положение, а 4 – осталось на одной прямой со звеном 3. Кость3 теперь является effector'ом, ивсё, что находится ниже по иерархии, подчиняется алгоритмам прямой кинематики.
Инверсная кинематикаприменяется главным образом там, где требуется точное расположение конечногозвена в нужной точке (например, чтобы при ходьбе ноги персонажа не «проскальзывали»по поверхности или не утопали в полигонах, изображающих твердь земную).
Самое же важное – этограмотная расстановка ограничителей (constraints) для подвижных элементов на этапе риггинга. Конечностимодели персонажа должны вести себя «в разумных антропоморфических пределах»,например, чтобы колени не прогибались не в ту сторону или пальцы рук незаворачивались за запястье.
Далее начинается процессавтоматизации движений (Рисунок 27) – тут всё делается так же, как и приобычной анимации. Задаются ключевые кадры для отдельных управляющих элементов,и они тащат за собой все остальные. При этом анимационные пакеты вполне могутрегистрировать ключевые положения только для индивидуальных костей, для всехзвеньев разом или для отдельных их групп. При этом генерируются кривыедвижения/вращения/масштаба для каждого элемента, участвующего в анимации.Современные пакеты, разумеется, предоставляют в избытке средства, позволяющиеэкономить на усилиях – например, «глобализовать» управление сразу множествомэлементов, группируя их более-менее удобным способом. На скриншоте нижепредставлено всё рабочее окно Blenderс активированными Action Editor и Timeline Editor.
/>
Рисунок 27 — Процессавтоматизации движений
Тем не менее, сделатькачественную анимацию – чудовищно кропотливый процесс, требующий учитыватьогромное количество факторов влияния отдельных элементов друг на друга. Как ужесказано в статье про риггинг, при анимации антропо- или зооморфных персонажей следуетиметь в виду анатомические особенности их прообразов в реальном мире исоответствующую взаимосвязь элементов.2.10 Частицы в 3D-графике: Particle Systems
Системы частиц (Рисунок28) — ещё один инструмент, который облегчает 3D-художникам жизнь (и сильно осложняет её компьютерам).
/>
Рисунок 28 — Системычастиц
В качестве примера можнопривести старые компьютерные игры, относящиеся к ранней эпохе 3D: если кто помнит, факельный огонь в Quake и Hexen II (обе игры построены на одном и том же движке) был реализованв качестве вращающихся светящихся многогранников, по форме «напоминающих»пламя. Сейчас, конечно, так никто не делает; для решения задач такого рода применяютсячастицы (particles).
Пламя в Quake (точнее, мод Dark Places): слева — в виде многогранников, справа — в видечастиц. Particle System – это технология массовой визуализации подобных объектов, вмассе своей формирующих более крупномасштабные тела, не имеющие чёткихгеометрических границ (облака, дым/пар, взрывы, снег, дождь, огонь) и/илисыпучие тела (песок, зерно, пыль, волосы, трава).
То есть всего того, чтовизуализировать «стандартными методами» – через моделлинг – слишком сложно ипросто нерационально: моделировать каждую травинку или каждый волос – лишняятрата времени и сил.
Математически каждаячастица представляет собой материальную точку с назначенными атрибутами, както: скорость, цвет, ориентация в пространстве, угловая скорость, и т. п. В ходеработы программы, моделирующей частицы, каждая частица изменяет своё состояниепо определённому, общему для всех частиц системы, закону (физическому).
Например, частица можетподвергаться воздействию гравитации, менять размер, цвет, скорость (в том числепод внешним воздействием) и так далее; после проведения всех расчётов, частицавизуализируется. Частица может быть визуализирована точкой, треугольником,спрайтом, или даже полноценной трехмерной моделью.
В целом, системы частиц — это достаточно экономный в плане трудозатрат способ реалистичной визуализациифизических явлений. При этом единого стандарта реализации системы частиц в мирена данный момент не существует, и едва ли стоит ожидать её скорого появления,учитывая, что на рынке присутствует немало конкурирующих коммерческих пакетовдля работы с частицами, и к тому же многие студии, занимающиеся компьютернойанимацией и спецэффектами для кино, пишут ещё и свои собственные решения.Например, на последнем CG Event представители студии A-VFX, рассказывая о мультфильме «Маша и Медведь»,неоднократно подчёркивали наличие у них собственной технологии визуализацииволос, с помощью которой в мультфильме были выполнены не только самиволосы/мех, но и трава и пр.
/>/>3. Понятиетрехмерной графики и программы 3D-моделирования3.1 Понятие трехмерной графики
Для создания трехмернойграфики используются специальные программы, которые называются редакторы трехмернойграфики, или 3D-редакторы. Результатом работы в любом редакторе трехмернойграфики, является анимационный ролик или статическое изображение, просчитанноепрограммой. Чтобы получить изображение трехмерного объекта, необходимо создатьв программе его объемную модель.
Для отображениятрехмерной модели используются четырех окнах проекций (Рисунок 29). Во многихредакторах трехмерной графики, что дает наиболее полное представление огеометрии объекта. На чертеже объект представлен сверху, сбоку и слева. Однаков отличие от чертежа на бумаге, вид объекта в каждом окне проекций можноизменять и наблюдать: как выглядит объект снизу, справа и т. д. Кроме этого,можно вращать все виртуальное пространство в окнах проекций вместе с созданнымив нем объектами. Работа c 3D анимацией напоминает компьютерную игру, в которойпользователь передвигается между трехмерными объектами, изменяет их форму,поворачивает, приближает и т. д.
/>
Рисунок 29 — Четырехокнах проекций
Виртуальное пространство,в котором работает пользователь, называется трехмерной сценой. То, что вывидите в окнах проекций – это отображение рабочей сцены. Работа с трехмернойграфикой очень похожа на съемку фильма, при этом разработчик выступает в ролирежиссера. Ему приходится расставлять декорации сцены (то есть создаватьтрехмерные модели и выбирать положение для них), устанавливать освещение,управлять движением трехмерных тел, выбирать точку, с которой будетпроизводиться съемка фильма.
Любые трехмерные объектыв программе создаются на основе имеющихся простейших примитивов – куба, сферы,тора и др. Создание трехмерных объектов называется моделированием. Дляотображения простых и сложных объектов используют так называемую полигональнуюсетку, которая состоит из мельчайших элементов – полигонов. Чем сложнеегеометрическая форма объекта, тем больше в нем полигонов и тем больше временитребуется компьютеру для просчета изображения. Если присмотреться кполигональной сетке, то в местах соприкосновения полигонов можно заметитьострые ребра. Поэтому чем больше полигонов содержится в оболочке объекта, темболее сглаженной выглядит геометрия тела. Сетку любого объекта можноредактировать, перемещая, удаляя и добавляя ее грани, ребра и вершины. Такойспособ создания трехмерных объектов называется моделированием на уровнеподобъектов.
В реальной жизни всепредметы, окружающие нас, имеют характерный рисунок поверхности и фактуру –шершавость, прозрачность, зеркальность и др. В окнах проекций видны лишьоболочки объектов без учета всех этих свойств. Поэтому изображение в окнепроекции далеко от реалистичного. Для каждого объекта в программе можно создатьсвой материал – набор параметров, которые характеризуют некоторые физическиесвойства объекта.
Чтобы получитьпросчитанное изображение, трехмерную сцену необходимо визуализировать. При этомбудут учтены освещенность и физические свойства объектов.
Созданная в окне проекциитрехмерная сцена визуализируется либо непосредственно из окна проекции, либо черезобъектив виртуальной камеры. Виртуальная камера представляет собойвспомогательный объект, обозначающий в сцене точку, из которой можно произвестивизуализацию проекта. Визуализируя изображение через объектив виртуальнойкамеры, можно изменять положение точки съемки. Подобного эффекта невозможнодобиться, визуализируя сцену из окна проекции. Кроме этого, виртуальная камерапозволяет использовать в сценах специфические эффекты, похожие на те, которыеможно получить с помощью настоящей камеры (например, эффект глубины резкости).
Качество полученного врезультате визуализации изображения во многом зависит от освещения сцены. Когдапроисходят съемки настоящего фильма, стараются подобрать наиболее удачноеположение осветительных приборов таким образом, чтобы главный объект былравномерно освещен со всех сторон, и при этом освещение съемочной площадкивыглядело естественно.
Программы 3D-анимации позволяют устанавливатьосвещение трехмерной сцены, используя виртуальные источники света –направленные и всенаправленные. Источники света являются такими жевспомогательными объектами, как виртуальные камеры.
Работать с источникамисвета бывает порой очень сложно, поскольку не всегда удается правильно осветитьтрехмерную сцену. Например, слишком яркие источники света создают сильные инеправдоподобные блики на трехмерных объектах, а большое количество теней,направленных в разные стороны, выглядят неестественно.
Использование трехмернойграфики
Область применениятрехмерной графики невероятно широка, она простирается от промышленнойиндустрии до сферы образования. Как правило, для создания мультимедийныхпроектов, фильмов, широковещательных передач и игровых приложений требуетсягораздо больше аниматоров и разработчиков трехмерных моделей, чем в каких-либоисследовательских лабораториях. Приятно осознавать, что возможности даннойотрасли настолько многогранны и различны./>/>3.2 Обзор существующих программ 3D-моделирования
Рассмотрим некоторые изпрограмм 3D-моделирования. Программа 3D StudioMax предназначена для работы с объемной графикой (Рисунок 30). Наверное самыйизвестный и популярный из всех 3D-редакторов. Позволяет делать как статичныесцены так и трехмерную анимацию.
Программа крайне многогранна– соответственно, и область ее применения очень широка: от моделированияпростых интерьеров и промышленных изделий до визуализации сложнейшиханимированных сцен, от создания фотореалистичных ландшафтов до созданиярекламного или обучающего ролика. Кроме собственных средств моделирования, 3DSMax имеет интерфейс для подключения plugin модулей от сторонних фирм. И этимодули постоянно появляются на рынке. Так что возможности базовой версии 3DSMax легко расширяются.
/>
Рисунок 30 – Программа 3D Studio Max
Программа iClone предназначена для работы с 3D-анимацией (Рисунок 31). В нейпользователи могут найти уже готовых 3D-персонажей, а также все, что нужно для создания их виртуального жизненногопространства – одежду, реквизит, ландшафты. В iClone есть также большая библиотека движений, которые можнозадавать персонажам. Но самая интересная возможность программы – использоватьдля лиц 3D-героев фотографии реальных людей.Для этого используется запатентованная технология FaceTrix, превращающая фотографию в 3D. Программа хорошо взаимодействует средакторами 2D-графики, благодаря чему прощаетсяредактирование текстур, а также поддерживает программы 3ds Max или Maya,при помощи которых можно создавать элементы библиотеки для персонажей. Всесцены могут быть визуализированы в реальном времени с учетом рельефа, отраженийи прозрачности.
/>
Рисунок 31 — Программа iClone
Blender — редактортрехмерной графики и анимации, компактный, бесплатный и при этом вполнесопоставимый по возможностям с большинством других 3D-редакторов (Рисунок 32).Несмотря на относительно небольшой размер, функций этого пакета вполнедостаточно для работы как обычным пользователям, так и профессионалам. Blenderвключает в себя средства 3D моделирования, анимации, рендеринга, обработкивидео, набор опций для создания интерактивных игр, визуальные 3D эффекты имногое другое. Используя эту программу, можно создавать реалистичные 3Dкартины, с качеством цифровой фотографии. В этой программе появился есть движокдля выполнения 3D моделирования и анимации, улучшена работа с естественнымитекстурами и структурами (кожа человека, волосы), улучшено создание 3D текста, естьинструменты (например, инструмент Rip для создания визуальных разрезов иразрывов).
/>
Рисунок 32 – Программа Blender/>/> 3.3 Применение и преимущества трёхмерногомоделирования
Трехмерное моделирование (3d-графика) сегодня применяется вочень многих сферах. Конечно, в первую очередь, это строительство. Это можетбыть модель будущего дома, как частного, так и многоквартирного или же офисногоздания, да и вообще любого промышленного объекта. Кроме того, визуализацияактивно применяется в дизайн-проектах интерьеров.
3D-модели очень популярны в сайтостроительстве. Для созданияособенного эффекта некоторые создатели сайтов добавляют в дизайн не простографические элементы, а трехмерные модели, иногда даже и анимированные.Программы и технологии трехмерного моделирования широко применяются и впроизводстве, например, в производстве корпусной мебели, и в строительстве, например,для создания фотореалистичного дизайн-проекта будущего помещения (Рисунок 33).Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша ксовременным трехмерным компьютерным программам. Постепенно новые технологииосваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые.
/>
Рисунок 33 — Дизайн-проекта будущего помещения
Конечно, в основном трехмерные модели используются вдемонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а такжеиспользуются в работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, какимбудет итоговый результат. Кроме того, методы трехмерного моделирования нужнытам, где нужно показать в объеме уже готовые объекты или те объекты, которыесуществовали когда-то давно. Трехмерное моделирование это не только будущее, нои прошлое и настоящее.
Преимуществ у трехмерного моделирования перед другимиспособами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точнуюмодель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогаютдостичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядностьпроекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как3D-визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное,просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.
В трехмерную модель очень легко вносить практически любыеизменения. Можно изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Фантазияпрактически ни чем не ограничена, и сможете быстро выбрать именно тот вариант,который подойдет вам наилучшим образом.
Однако трехмерное моделирование удобно не только для клиента.Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Изтрехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов иликонструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольнотрудозатратный процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чемс традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временныезатраты на проектирование, снижаются издержки.
Специальные программы дают возможность интеграции с любымдругим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями дляинженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами.Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов,значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает еекачество.
4. Создание клипа (3D-анимации) с помощьюпрограммы iClone 4.12
Перед тем как начать работу, нужно запустить программу iClone 4.12. Запустив программу увидимвиртуальное пространство, в котором работает пользователь. Это виртуальноепространство называется трехмерной сценой. В верхнем левом углу находитсяContent manager (права менеджера), в нижнем левом углу Scene manager (сцена менеджера), а с правой стороны находятсяModify (Изменения).
После небольшого ознакомления с программой переходим ксозданию видео. Заходим на вкладку Stage (Этап) — 3d Scene (3d сцены). В Content manager (права менеджера) видим уженесколько готовых сцен. Выбираем сцену каньон и эта сцена появится в трехмернойсцене. Теперь зайдем в Atmosphere (Атмосфера) и выберем атмосферу «солнечно». Открываем вкладку Light (Свет) и выберем Directional(Направленный). Теперь в Modify (Изменения) настраиваем свет так, чтобы светпадал на ту область, где будет происходить какое-то действие. После того каксвет настроили переходим на вкладку Set (Набор) — Water (Воды) ивыбираем воду «легкие волны». В изменениях регулируем размер волны и скоростьтечения волн. Также можно настроить отражение и преломление. Дальше открываем вкладкуSky (Небо) и выбираем небо, которое больше всего подходит к нашему пейзажу. Также вместо неба можно поставить анимационное видео, для этого надо зайти в Video (Видео) и выбрать то, которое большевсего понравиться, и подойдет к пейзажу, например «диффузные воды». Можносказать, что половина видео готова.
Теперь переходим к созданию персонажа. Выбираем вкладку Actor (Актер) и в сцене менеджера есть уженесколько готовых персонажей. Выберем персонажа по имени Dylan. В окне изменения производимнастройки. Возьмем стиль тела – средняя, отрегулируем пропорции тела и настроимдлину пальцев. Если персонаж стоит не на том месте, где должен, то щелкнув понему правой кнопкой мыши, выберем преобразование – двигаться. И можемперемещать персонажа. После того как мы сделали все настройки персонажу, топереходим на вкладку Hair (Волосы). Здесь можно выбрать любую прическу длясвоего героя. Выбрав прическу, переходим дальше на вкладки Upper body (Верхняячасть тела), Lower body (Нижняя часть тела), shoes (обувь) и Accessories (Аксессуары). Тут выбираем одеждудля героя, обувь и аксессуары. Если мы хотим поставить вместо персонажа своелицо, то нужно зайти во вкладку Head(Руководитель) и там уже производить настройки по установлению своего лица налицо персонажа.
Теперь добавим нашему персонажу движения и для этого зайдемво вкладку Animation (Анимацию) — Motion (Движения). Нам на выбор дается много всяких движений: танцы, боевыеискусства, ходьба и т.д. Выберем этому персонажу танец НIP-HOP. Вернемся во вкладку Set (Набор) – Music (Музыка), здесь мы можем поставить стандартную музыку, которую нампредлагает компьютер, либо выбрать свою. Выбираем свою музыку, которая подойдетпод танец HIP-HOP.
Запускаем видео и смотрим, все ли работает. Если же все впорядке, то идем на вкладку EXPORT– Video. Здесь выбираем формат видео,разрешение, качество, диапазон мощности. После того как все настроили нажимаемкнопку EXPORT и программа переводит анимацию ввидео.
Процесс создания клипа и анимации показан в Приложении.
/>/>/>/>5. Общиетребования по технике безопасности
К работе на персональномкомпьютере допускаются лица, прошедшие обучение безопасным методам труда,вводный инструктаж, первичный инструктаж на рабочем месте.
При эксплуатацииперсонального компьютера на работника могут оказывать действие следующиеопасные и вредные производственные факторы:
— повышенный уровеньэлектромагнитных излучений;
— повышенный уровеньстатического электричества;
— пониженная ионизациявоздуха;
— статические физическиеперегрузки;
— перенапряжениезрительных анализаторов.
Работник обязан:
— выполнять только туработу, которая определена его должностной инструкцией.
— содержать в чистотерабочее место.
— соблюдать режим труда иотдыха в зависимости от продолжительности, вида и категории трудовой деятельности.
— соблюдать меры пожарнойбезопасности.
Рабочие места скомпьютерами должны размещаться таким образом, чтобы расстояние от экранаодного видеомонитора до тыла другого было не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов — не менее 1,2 м.
Рабочие места сперсональными компьютерами по отношению к световым проемам должны располагатьсятак, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.
Оконные проемы в помещениях,где используются персональные компьютеры, должны быть оборудованы регулируемымиустройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.
Рабочая мебель дляпользователей компьютерной техникой должна отвечать следующим требованиям:
— высота рабочейповерхности стола должна регулироваться в пределах 680 — 800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725 мм;
— рабочий стол должениметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, глубиной на уровне колен не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног не менее 650 мм;
— рабочий стул (кресло)должен быть подъемно — поворотным и регулируемым по высоте и углам наклонасиденья и спинки, а также — расстоянию спинки от переднего края сиденья;
— рабочее место должнобыть оборудовано подставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм, регулировку по высоте в пределах до 150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки до 20 градусов; поверхность подставки должнабыть рифленой и иметь по переднему краю бортик высотой 10 мм;
— рабочее место сперсональным компьютером должно быть оснащено легко перемещаемым пюпитром длядокументов.
Для нормализацииаэроионного фактора помещений с компьютерами необходимо использовать устройстваавтоматического регулирования ионного режима воздушной среды (например,аэроионизатор стабилизирующий «Москва-СА1»).
Женщины со времениустановления беременности и в период кормления грудью к выполнению всех видовработ, связанных с использованием компьютеров, не допускаются.
За невыполнение даннойИнструкции виновные привлекаются к ответственности согласно правиламвнутреннего трудового распорядка или взысканиям, определенным Кодексом законово труде Российской Федерации.
Требования безопасностиперед началом работы
— подготовить рабочееместо.
— отрегулироватьосвещение на рабочем месте, убедиться в отсутствии бликов на экране.
— проверить правильностьподключения оборудования к электросети.
— проверить исправностьпроводов питания и отсутствие оголенных участков проводов.
— убедиться в наличиизаземления системного блока, монитора и защитного экрана.
— протеретьантистатической салфеткой поверхность экрана монитора и защитного экрана.
— проверить правильностьустановки стола, стула, подставки для ног, пюпитра, угла наклона экрана,положение клавиатуры, положение «мыши» на специальном коврике, принеобходимости произвести регулировку рабочего стола и кресла, а такжерасположение элементов компьютера в соответствии с требованиями эргономики и вцелях исключения неудобных поз и длительных напряжений тела.
Требования безопасностиво время работы
Работнику при работе наПК запрещается:
— прикасаться к заднейпанели системного блока (процессора) при включенном питании;
— переключать разъемыинтерфейсных кабелей периферийных устройств при включенном питании;
— допускать попаданиевлаги на поверхность системного блока (процессора), монитора, рабочуюповерхность клавиатуры, дисководов, принтеров и других устройств;
— производитьсамостоятельное вскрытие и ремонт оборудования;
— работать на компьютерепри снятых кожухах;
— отключать оборудованиеот электросети и выдергивать электровилку, держась за шнур.
Продолжительностьнепрерывной работы с компьютером без регламентированного перерыва не должнапревышать 2-х часов.
Во времярегламентированных перерывов с целью снижения нервно — эмоциональногонапряжения, утомления зрительного анализатора, устранения влияния гиподинамии игипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления выполнятькомплексы упражнений.
Требования безопасности ваварийных ситуациях
— во всех случаях обрывапроводов питания, неисправности заземления и других повреждений, появлениягари, немедленно отключить питание и сообщить об аварийной ситуациируководителю.
— не приступать к работедо устранения неисправностей.
— при получении травм иливнезапном заболевании немедленно известить своего руководителя, организоватьпервую доврачебную помощь или вызвать скорую медицинскую помощь.
Требования безопасностипо окончании работы
— отключить питаниекомпьютера.
— привести в порядокрабочее место.
— выполнить упражнениядля глаз и пальцев рук на расслабление.
Заключение
/>/>В ходе проведенногоисследования было установлено, что в данный момент на рынке существуетдостаточно большое количество программ, предоставляющих возможность создания 3Dанимации и 3D графики. История развития всех программ схожа в том, что все ониначинались с простых пакетов 3D моделирования и уже в процессесовершенствования, от версии к версии наращивали свои функциональныевозможности.
Все пакеты 3D графикисостоят из определенного набора подсистем, в которые входят средамоделирования, система рендеринга, библиотеки текстур и объектов и дополнительныемодули, что позволяет пакетам 3D графики реализовывать полный цикл созданияконечной продукции (картинка или видеофайл).
Существует нескольковидов программного обеспечения для 3D графики и анимации. Часть программногообеспечения для разработки 3D создается исключительно для решения задач вконкретной области деятельности человека (например ландшафтный дизайн,архитектура), так же существуют системы автоматического проектирования,включающие в себя 3D моделирование как одну из возможностей максимальноулучшить качество разработки объектов. В таких системах создание 3D картинкиили анимации не является самоцелью.
Помимо этого существуютуниверсальные пакеты 3D моделирования различного уровня сложности. Эти пакетыпредназначены для широкого круга специалистов и в зависимости от подключенныхмодулей могут выполнять различные функции. Именно с помощью данных пакетовможно создать наиболее реалистичные 3D картинки и сцены.
3D моделированиеразвивается по следующим основным направлениям: повышение реалистичностиизображений, улучшение быстродействия рендеринга, улучшение рассчета освещения,доступность пакетов 3D моделирования для все более широкого круга специалистов.
Таким образом, из всеговышесказанного можно сделать вывод о том, что современные пакеты 3Dмоделирования обладают очень широкими возможностями в своей области иразвиваются достаточно стремительными темпами, зачастую опережая среднийуровень роста возможностей программного обеспечения.
/>/>Списокиспользованной литературы
1. Бендер Б. 3D вокругнас Спб.: Питер 2002.
2. Бондаренко С.,Бондаренко М. Библиотека пользователя по 3ds Max 8. СПб.: Питер, 2006.
3. Васнецов В. 133совета по 3Dmax. СПб.: Питер, 2005.
4. Верстак Владимир“3ds Max 8 Секреты мастерства” Петербург, 2006.
5. Иванов В. П.,Батраков А. С… Трехмерная компьютерная графика. М.: Радио и связь, 1995.
Приложение
Трехмерная сцена
/>
Создание 3D сцены
/>
Создание атмосферы
/>
Выбираем воду
/>
Создание персонажа
/>
Задаем движения персонажу
/>
Переводим в видео формат
/>
Смотрим результат
/>