3D моделирование анимация виртуальные миры

ВОРОНЕЖСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА И.Т. и М.М.Э.

3D МОДЕЛИРОВАНИЕ.АНИМАЦИЯ. ВИРТУАЛЬНЫЕМИРЫ.

ВЫПОЛНИЛ:
студент 1курса
экономическогофакультетаВязовой ДмитрийСергеевич

ПРОВЕРИЛ:
доц.
Ищенко ВалентинаАлександровна
ВОРОНЕЖ1998


Содержание
1 Введение 3

2Применениепрограмм трёхмерногомоделирования 4

3Современныепрограммныеи аппаратныесредства 8

4Заключение 14

5 Списоклитературы 15

6Приложение 16

1
Применениекомпьютернойтехники в современнойжизни сталонезаменимым.Огромное количествоотраслей используютвычислительныемашины дляускорениярешения задач.До недавнеговремени всякомпьютернаятехника былалишь вспомогательнымустройствомдля человека.Компьютерпроводил различныевычисления, а основнаяработа лежалавсё равно начеловеке. Передчеловечествомже стояли задачимасштабныхстроительств, проектов набудущее, испытаний, которых компьютеррешить не мог.С появлениеммощных графическихстанций, а также компьютеров, способныхрешать не толькоматематическиезадачи, но ивизуализироватьсложнейшиетехнологическиепроцессы наэкране, начинаетсяновая эра вкомпьютернойпромышленности.Самаябольшая радостьдля программиста– это видетьи знать, чтопользователинаходят дляего детищасамые разнообразныеприменения.Особенно этокасается такихпродуктов, как3D Studio MAX, который, в отличие от текстовогопроцессораили электроннойтаблицы, позволяетс помощьюизобразительныхсредств воплотитьсамые фантастическиеидеи и мечтыв жизнь.1Компьютерноетрёхмерноемоделирование, анимация играфика в целомне уничтожаютв человекеистинноготворца, а позволяютему освободитьтворческуюмысль от физическихусилий, максимальнонастроившисьна плод своеготворения. Конечно, пока невозможнозаниматьсяграфикой безопределённыхнавыков, нотехнологияне стоит наместе и, возможно, в недалёкомбудущем творениечеловека будетзависеть толькоот его мысли.

2
Существуетогромное количествообластей, гдеприменяетсятрёхмерноемоделированиеи анимация.Например, прииспытаниипрограммы 3DStudio MAX пользователипроделаликолоссальнуюработу, применяяэту программув различныхобластях: отсоздания статическойрекламы идинамическихзаставок длятелеканаловдо моделированиякатастроф итрёхмернойанимации. Донедавнеговремени работупо созданиюспецэффектовв кинематографиивыполняли вспециальныхпавильонахс использованиемфизическихмоделей, методовпрозрачнойфотографиии дорогих оптическихпринтеров.Теперь этапроблема решенас помощью современныхпрограмм. Ужене надо тратитьтысячи человеко-часовна построениемоделей, напримердинозавров, которые нужнозатем установитьна сцене, осветить, отснять искомбинироватьс остальнымиучастникамиэпизода. Достаточнопосадить одногочеловека заобычный персональныйкомпьютер, чтобы создатьспецэффекты, создающиеполное ощущениереальности.Нашествию
визуальныхэффектов уженикто не удивляется.Эффекты вблокбастерах(боевиках) иромантическихсказках, играхи мультимедийныхпрезентациях, броские и незаметные, в кино и нателевидении, трёхмерныеи мультипликационные.Всех их объединяеттолько одно: они созданыс помощьюкомпьютеров.Сегодня мы ужеможем говоритьо результатахтруда не толькозаокеанских, но российскихразработчиков.С 19 по 23 мая в Центремеждународнойторговли проходилежегодныйРоссийскийфестивалькомпьютернойграфики и анимации.На выставкебыла представленановинка –телевизионнаявиртуальнаястудия. Передрежиссёрамии продюсерамиоткрываютсянеограниченныевозможности: можно обойтисьбез огромныхпавильонови дорогостоящихдекораций исделать оригинальнуюпередачу. Можноснимать актёраили ведущеготелепрограммына синем илизелёном фоне, а затем поместитьего в компьютерноепространствои позволитьвзаимодействоватьс ним. С сентября1997 года компания« Б.С. Графика»оформляетмосковскийканал «ТВ Центр»и выпускаеттам две телепередачи:«Интернет КАФЕ»и «Виртуальныймир». Это самаятехническиоснащённаястудия в России.Работа в реальномвремени, когда«живой» ведущийсвободно перемещаетсявнутри трёхмернойсцены, ходитвокруг объектови может взаимодействоватьс ними, — это уженеотъемлемыйпризнак современнойвиртуальнойстудии. Напримерведущий можетзаходить в«виртуальные»двери, Брать«виртуальные»предметы и т.д.Причём частькомпьютернойсцены можетготовитьсязаранее, а часть– просчитыватьсяодновременносо съёмкойживого персонажа(здесь уже требуютсязначительныевычислительныемощности). Применениетрёхмернойанимации ивиртуальныхтехнологийв кинематографе, оформлениителевизионныхпередач и вразличныхчастях шоу-бизнесастало обязательным, однако существуюти другие примерыпримененияновейших технологий:6-8 мая 1998 года вг. Осло проходилПервый международныйсимпозиум повизуализации, организованныйкомпаниямиSilicon Graphics и Telenor.На данной конференцииширокой аудиториибыли продемонстрированыразличныетехническиесредства дляпредставлениявиртуальныхобъектов, Особыйинтерес представилипроекты посозданию такназываемыхвиртуальныхгородов – содержащихне один, а десяткитысяч виртуальныхобъектов. Смомента возникновениятакого понятия, как коллективноепланированиегородскогостроительства, все его участники– специалистыпо планированию, проектировщики, инвесторы, представителивласти и простозаинтересованныегорожане –стремилисьнайти новуюметодологиюобсуждениястроительныхпроектов, позволяющихоценить ихвлияние нагородскойландшафт ещёдо реальноговоплощения.Требовалсяэффективныйспособ, позволяющийзримо представитьи проанализировать«физическиепоследствия»проекта доначала егореализациии инвестированиясредств. Современем появилсяпроект «Виртуальныйгород». ГруппагородскогомоделированияUCLA воспользоваласьданной технологиейвизуальноготрёхмерногомоделированиядля развитияинтегрированнойсреды городскогомоделирования.С помощью уникальнойсистемы и методологиикомпьютерногомоделированиягруппа строитвиртуальныемодели реальноговремени городскихрайонов. Этимодели, с точностьюдо надписейна стенах изанавесок вокнах, конструируютсяпутём сочетанияфотографий, полученныхс помощьюаэрофотосъёмки, со стереометрическими«представлениями»улиц для реалистичноготрёхмерногомоделирования.Другой пример: до недавнеговремени такиесерьёзныепроекты какстроительствомостов, дамб, плотин не проходилобез каких-либонеожиданностейдаже в странахс очень развитымистроительнымитехнологиями.В наше времястроительныекомпании многихгосударствстали пользоватьсясистемамиинженерногопроектированияс визуальнымотображением.Современныепрограммыинженернойграфики нетолько совершаютразличныестроительныерасчёты ( впрочемэто могли делатьи программыпредыдущегопоколения), нои визуализироватьпроисходящиестроительныепроцессы. Программыпоказываютне только возможнуюнагрузку наотдельные частиконструкций, но и рассчитываютразличныенепредвиденныеявления, связанныенапример сявлениямирезонанса впроцессестроительства.Пример из совершеннобытовой сферы: компании попродаже квартир, а так же дизайнуи связаннымс ним ремонтомстали использоватькомпьютерныепрограммытрёхмерногомоделированиядля представленияклиенту наиболееточной информациио будущем проекте.Тем самым доходэтих компанийстал увеличиватьсяза счёт экономиявремени, затрачиваемогона бесполезныечертежы. Преимуществокомпьютерногомоделированияоценили нетолько люди, связанные снедвижимостью, но и крупныекомпании, желающиесократить своирасходы за счётприменениясовременныхпрограмм компьютерногоконструирования, а так же автоматизированияпроцессапроизводства.Так компанияIBM предлагаетсистему автоматизациидизайнерскойи конструкторскойдеятельностиCatia ( об этомпродукте будетрассказанов следующейглаве). Скажемтолько, чтосистема поможетсоздать плоскиечертежы, провестиобъёмноетвердотельноемоделирование, спроектироватьсложные поверхности, многокомпонентныесборки, трубо-, пневмопроводы, электросеть, рассчитатьпрочность. Вотконкретныйпример работысистемы: наразработкуавтомобиляNeon, выпущенногов конце 1994 года, американскаякомпания ChryslerMotors затратилавсего 31 месяц, опередив японскиекомпании, долгоевремя державшиепланку на отметкев 36 месяцев. Также системойбыли полностьюсозданы электронныепрототипыавтомобилейJeep Cherokee, Volvo-960, SAAB-900, ВАЗ2110 и самолётаBoeing 777. Кстатив последнемслучае системапозволиласэкономить15 процентов отвсей суммысредств – примерно8 млн. долларов.Можно ещё долгоприводитьпримеры примененияэтих программ, но лучше рассмотретьих с точки зренияпользователя, их производительность, актуальностьв различныхотраслях.

3
КомпанияAutodesk разработала3D Studio. наибольшеераспространениеэтот продуктполучил в версии4.0 для DOS. Даннаяпрограммаиспользоваласьдля созданияреалистичныхигр, а так жепервых моделейи спецэффектовв фильмах. Программахороша своимисполнением, небольшойтребовательностьюк аппаратнымресурсам, а также сравнительнонизкой ценой(ок. 400 дол.) Конечносо временемэта программастала неактуальнойиз-за несовместимостис современнымисистемами идовольно слабыхвозможностейдля воплощениямысли. Пришловремя мощнейшейсистемы трёхмерногомоделированияи анимации 3DStudio MAX для WindowsNT. Данныйпродукт используетсядля созданиясовременныхфильмов, компьютерныхпрограмм сприменениемсложнейшейграфики испецэффектов.Конечно аппаратныесредства дляэтого продуктадолжны бытьисключительными, да и цена недля рядовогопользователя(ок. 800 дол. за стандартнуюверсию, 2000 дол.за более профессиональнуюверсию и ок.4000 дол. за сетевуюверсию). ПодразделениеKinetix создавалоэтот продуктдля профессиональныхпользователей, хотя любитель, позволившийсебе приобретениеэтого продукта, может воплотитьнезатейливыемечты в реальность, изучив некоторыетонкости работыс программой.Для такихпользователейбудет достаточноIBM совместимогокомпьютерас процессоромMMX или Pentium IIс частотой от166 и более Мгц.Понадобитсямощная графическаякарта. Кстатиграфическиекарты для программ3D моделированияимеют совсеминые характеристикинежели мощныекарты для современныхигр. Напримерпрофессионалыиспользуютдорогостоящиекарты Elsa Gloria илиэксклюзивныекарты компанииDiamond. Естественно3D Studio MAX не предназначенадля инженерныхработ. Для этихзадач компанияAutodesk создалаAutoCAD. Данныйпродукт занимаетлидирующуюпозицию в мировомсписке программтакого класса.Неудивительно, ведь он способенвыполнятьпрактическивсе операции, связанные синженернымисистемами.Работа этойпрограммыобслуживаетсятысячами узловвсемирной сетиInternet. Системапредназначенадля профессионалов CAD. Работав системерассматриваетсякак совместнаяработа несколькихкомпьютеров, выполняющихотдельныефункции. Подаппаратныесредствамиподразумеваютсямощнейшиеперсональныесистемы, а также компьютерына базе RISCпроцессоров.Известнаякомпания попроизводствуCAD программBentley Systems представилапрограммуMicroStation (системаинтерактивногографическогопроектированияIGDS), котораязанимает второеместо послевыше описанногоAutoCAD. ОсновноеназначениеMicroStation – выполнениевысокопрофессиональныхпроектных работв машиностроении, транспорте, электронике, геодезии икартографии, архитектуреи управлении.Продукт реализовандля платформIntel PC, Apple PowerMac, IBM Power PC иRS/6000, SPARCStation, DEC Alpha и могутиспользоватьсяв средах DOS,Windows, OS/2 Warp и Unix.
Вышеприведённаяпрограмма Catiaрассчитанана платформыS/390, UNIX, AS/400 и PC.ПродуктразработанфранцузскойавиационнойкомпаниейDassault Aviation и предлагаетсякомпанией IBMдля проектированияи изготовлениядеталей настанках с ЧПУ.В шоу-бизнесеведущую рольв созданиирекламныхроликов и видеоклиповзанимает компанияGlassworks. Ядроэтой командысоставляютспециалистыпо 3D-моделированиюи анимации.Своим успехомони считаютиспользованиеSoftImage. Программакласса 3D Studio, но более приспособленнаядля созданиявидеоклипов.Для использованияэтой программыкомпания оснащенарабочими станциямиImpact, а так жедвумя машинамиOnyx с графическимикартами RE2+ 1 GBRAM и 90 GB дисковогопространства.Выше рассказывалосьо проекте«Виртуальныйгород». Этотуникальныйпродукт созданс помощью пакетатрёхмерногомоделированияв реальномвремени MultiGen IIPro. Интерфейси программноеобеспечение, реализующеесобственномоделирование, функционируютна всей линииоборудованияSilicon Graphics, O2, рабочихстанций Octane иOnyx. Сейчасна мировомрынке начинаетпрочно укреплятьсяпрограммапроектированиякомпании CADhouse подразделенияConsistent Software – Pro/Engineer (Про-инженер). Программавыигрываетв цене (1000 дол. срабочего места)у других аналогичныхпрограмм, ноеё нераскрученностьоставляет еёна третьемместе последвух вышеприведённыхпрограмм компьютерногоконструирования.Все приведённыепрограммыотносятся кряду высокопрофессиональных, дорогостоящих, требующихбольших аппаратныхресурсов программ.Далее приведеныпрограммы, неуступающиепо своим возможностямпрофессиональнымпрограммам, для рядовогопользователя, желающегозаняться 3Dмоделированием.Например компанияFractal Design разработалаFractal Design Detailer – программуобработкиповерхностейтрёхмерныхобъектов. Программапомогает создатьвполне реалистичныеобъекты изсозданных вдругих программах, где обработатьих сложно покаким-либопричинам. Ценапродукта вполнеприемлемая(300 дол.)
Аппаратныетребования: Pentium 6 –гопоколения, 20мб. RAM. Иногдасоздание отдельныхобъектов дляжелающих немногопоэкспериментироватьстановитсяневозможнымиз-за неуменияиспользоватьту или инуюсистему, а уумеющего делатьчто-либо невсегда естьсредства длябыстрой обработкихотя бы десяткаобъектов несложнойформы. Дляпользователейтаких категорийкомпания MetaToolsсоздаланехитрый генераторландшафтов
Bryce 2, а затеми Bryce 3D. С помощьюэтих программможно создаватьвполне реалистичныепейзажи, управлятьвременамисуток, погоднымиусловиями ит.д. Основнымплюсом данногопродукта являетсянезатейливоеуправление, понятное еслине с первого, то со второгообщения синтерфейсом.Возможностьанимации, взглядас разных точекна проекцию.Всё очень удобнои красиво, аглавное доступно.При цене в 300 –400 дол. программатребует Pentium процессорс графическойкартой, поддерживающей3D рендеринг, иоколо 32 мб. RAM. Последнеевремя на аренепоявились сразудва продукта, поразившиевоображенияне только любителей, но и профессионалов.Animatek’s World Builder 2.0 – пакет, создающийпоистине реалистичныепейзажи, с наборомфункций, присущемтолько профессиональнымпрограммам.Отличная интеграцияс 3D Studio MAX позволяетполностьюреализоватьплот воображения.Тем не менеепродукт считаетсяполупрофессиональными доступенмногим любителям.Основное аппаратноетребование– мощная видеокарта.Второй продукт– World Construction Set 3.0. Пакетопять же генерируетландшафты, нов такой степени, что кроме негоуже не потребуютсядругие пакеты3D моделирования, хотя и используетсяподдержка 3DStudio MAX. Пакет рассчитан на профессиональногопользователяи оставляетдалеко позадиBryce 3D, находясь наравных развечто с Animatek’s World Builder.Превосходитвсе предыдущиепакеты в степениинтеграциис 3D Studio MAX, а так жепо наличиюсобственныхвысокотехнологичныхсредств визуализации.Пакет работаетна платформахPC/ DEC ALPHA/ MAC/ SGI. Данныйпродукт возвращаетнас к профессиональнымсистемам трёхмерногомоделирования, а точнее к аппаратнымсредствам дляэтих систем.Аппаратныесредства наRISC- платформе.ПлатформаSilicon Graphics Inc. (SGI) обновиласьпроизводствоммодели PowerONYX, относящейсяк старшемусемействувыпускаемыхкомпаниейграфическихстанций. В этихкомпьютерахустанавливаютсяпроцессорыR8000 (другое название- TFP), выпускаемыеMips Technologies. По предвари­тельнымданным, ихпроизводительностьв четыре разапревосхо­дитбыстродействиесамого мощногоиз ранее разработанныхпро­цессоровфирмы Mips — R4400.В результатепоказателипроизво­дительностимодели PowerONYX с одноймикросхемойR8000 (так­товаячастота 75 МГц)приблизительноаналогичнытаковым дляграфическойстанции ONYX ExtremeDeskside с двумя процессора­миR4400, каждый изкоторых работаетна частоте 150МГц, а цена еёдаже несколькониже: 102 тыс. против107 тыс. долл. — вконфигурациис 64 Мбайт ОЗУ, жёстким дискомобъёмом 2 Гбайти графическойсистемой Extreme. Приэтом новаястанция явнопревосходитсвоих предшественниковпо возможностямрасширенияаппаратнойконфигурации, а заявленнаякомпаниейпроизводи­тельностьпри установкев этот компьютер12 процессоров(мак­симальновозможноечисло) составляет3.6 Гфлоп. МодельPowerONYX поставляетсяс графическойсистемой RealityEngine 2 (RE2) или Extreme. Наращиваявычислительныемощностивысокопроизводительныхграфическихстанций, SGI незабывает и омладших моделях.Так, фирмаанонсировалаперенос накомпьютерыIndy графичес­когоускорителяXZ и предложилавниманию посетителейдемонс­трационныйвариант новойсистемы. Былпоказан ижидкокриста­ллическийэкран для станцийIndy, обеспечивающийразрешение1280*1024 точек при24- разрядномкодированиицвета. В целомэти разработкиявно указываютна стремлениеSGI реализоватьбыструю высококачественнуюграфику насравнительнонедорогихмоделях рабочихстанций. Междутем вопрос отом, насколькоуспешным будетпродви­жениена рынок компьютеровIndy, пока остаётсяоткрытым: сто­имостьсистемы приналичии графическогоускорителяXZ состав­ляет33 тыс. долл., тогдакак за 38 тыс. долл.уже можно при­обрестистанцию следующегокласса- Indigo 2, котораявыгодно отличаетсяот Indy широкимивозможностямирасширения(пос­редствомустановкидополнительныхплат), а такженаличием специальнойсистемы охлаждения.Indigo 2 допускаети исполь­зованиенового процессораR8000. Была продемонстрированатакже видеосистемаSirius Video для платформыSilicon Graphics, котораяспособнавзаимодействоватьс графическимиускорителямиVTX и RE2, обеспечивающиминаложениетекстур натрёхмерныеобъекты свозможностьюпоследующегопросчёта кадровв реальномвремени, причёмвсе эти функцииреализованына аппаратномуровне. Но­ваяплата в качестветекстуры «предлагает»системам VTX иRE2 «живое» видео, которое затемможно подвергнутьлюбым операци­ям, применимымк обычной текстуре.Из другихотличительныхособенностейSirius Video следуетупомянутьподдержку любыхтипов видеосигналов, включая цифровые, а также одновременноеобслуживаниепри их вводеи выводе двухвнешних устройств.Единственнаяпроблема, связаннаяс применениемэтой видеосис­темы, заключаетсяв отсутствиина сегодняшнийдень специаль­ногоПО, котороеобеспечилобы выполнениевсего спектраопе­раций свидеосигналамии сделало ненужныммонтажноеоборудо­вание, загромождающеесовременныестудии.
4
Подводяитог обзоруаппаратногообеспечениякласса high-end, следуетподчеркнутьявное доминированиеплатформы SGI.Несмотря наналичие отдельныхразработоку других из­вестныхпроизводителей(IBM, DEC), господствокомпании SiliconGraphics в данном секторерынка остаётсянезыблемым.Об этом свидетельствуетпостоянныйрост объёмовпродаж про­дукциифирмы, который, в 1993 г. составил36% (по отношениюк 1992 г.). Тем не менееSilicon Graphics стремитьсяраспрост­ранитьсвоё влияниеи на другиеобласти вычислительнойин­дустрии, выпуская серверыдля локальныхсетей, а такжепред­лагаярешения дляСАПР. Не смотряна это ПК спроцессоромIntel продолжаетоставатьсянаиболеераспространённойплатформойв сфере компьютернойграфики и анимации.

5

«Computer World-Moscow» 01.1997

2. КомпьютерПресс N (7’98,7’97, 6’98)

Джон А. Белл 3D Studio MAX спецэффекты в голливудском стиле

4. КомпьюТерра 13.05.96

Приложение

Bryce2 rendering сприменениемAnti-aliasing (сглаживание)

/>
3DStudio MAX геосферас наложеннойтекстурой