Понятие трехмерной графики и программы 3D-моделирования

3. Понятие трехмерной графики и программы 3D-моделирования

3.1 Понятие трехмерной графики

Для создания трехмерной графики используются специальные программы, которые называются редакторы трехмерной графики, или 3D-редакторы. Результатом работы в любом редакторе трехмерной графики, является анимационный ролик или статическое изображение, просчитанное программой. Чтобы получить изображение трехмерного объекта, необходимо создать в программе его объемную модель.

Для отображения трехмерной модели используются четырех окнах проекций (Рисунок 29). Во многих редакторах трехмерной графики, что дает наиболее полное представление о геометрии объекта. На чертеже объект представлен сверху, сбоку и слева. Однако в отличие от чертежа на бумаге, вид объекта в каждом окне проекций можно изменять и наблюдать: как выглядит объект снизу, справа и т. д. Кроме этого, можно вращать все виртуальное пространство в окнах проекций вместе с созданными в нем объектами. Работа c 3D анимацией напоминает компьютерную игру, в которой пользователь передвигается между трехмерными объектами, изменяет их форму, поворачивает, приближает и т. д.

Рисунок 29 - Четырех окнах проекций

Виртуальное пространство, в котором работает пользователь, называется трехмерной сценой. То, что вы видите в окнах проекций – это отображение рабочей сцены. Работа с трехмерной графикой очень похожа на съемку фильма, при этом разработчик выступает в роли режиссера. Ему приходится расставлять декорации сцены (то есть создавать трехмерные модели и выбирать положение для них), устанавливать освещение, управлять движением трехмерных тел, выбирать точку, с которой будет производиться съемка фильма.

Любые трехмерные объекты в программе создаются на основе имеющихся простейших примитивов – куба, сферы, тора и др. Создание трехмерных объектов называется моделированием. Для отображения простых и сложных объектов используют так называемую полигональную сетку, которая состоит из мельчайших элементов – полигонов. Чем сложнее геометрическая форма объекта, тем больше в нем полигонов и тем больше времени требуется компьютеру для просчета изображения. Если присмотреться к полигональной сетке, то в местах соприкосновения полигонов можно заметить острые ребра. Поэтому чем больше полигонов содержится в оболочке объекта, тем более сглаженной выглядит геометрия тела. Сетку любого объекта можно редактировать, перемещая, удаляя и добавляя ее грани, ребра и вершины. Такой способ создания трехмерных объектов называется моделированием на уровне подобъектов.

В реальной жизни все предметы, окружающие нас, имеют характерный рисунок поверхности и фактуру – шершавость, прозрачность, зеркальность и др. В окнах проекций видны лишь оболочки объектов без учета всех этих свойств. Поэтому изображение в окне проекции далеко от реалистичного. Для каждого объекта в программе можно создать свой материал – набор параметров, которые характеризуют некоторые физические свойства объекта.

Чтобы получить просчитанное изображение, трехмерную сцену необходимо визуализировать. При этом будут учтены освещенность и физические свойства объектов.

Созданная в окне проекции трехмерная сцена визуализируется либо непосредственно из окна проекции, либо через объектив виртуальной камеры. Виртуальная камера представляет собой вспомогательный объект, обозначающий в сцене точку, из которой можно произвести визуализацию проекта. Визуализируя изображение через объектив виртуальной камеры, можно изменять положение точки съемки. Подобного эффекта невозможно добиться, визуализируя сцену из окна проекции. Кроме этого, виртуальная камера позволяет использовать в сценах специфические эффекты, похожие на те, которые можно получить с помощью настоящей камеры (например, эффект глубины резкости).

Качество полученного в результате визуализации изображения во многом зависит от освещения сцены. Когда происходят съемки настоящего фильма, стараются подобрать наиболее удачное положение осветительных приборов таким образом, чтобы главный объект был равномерно освещен со всех сторон, и при этом освещение съемочной площадки выглядело естественно.

Программы 3D-анимации позволяют устанавливать освещение трехмерной сцены, используя виртуальные источники света – направленные и всенаправленные. Источники света являются такими же вспомогательными объектами, как виртуальные камеры.

Работать с источниками света бывает порой очень сложно, поскольку не всегда удается правильно осветить трехмерную сцену. Например, слишком яркие источники света создают сильные и неправдоподобные блики на трехмерных объектах, а большое количество теней, направленных в разные стороны, выглядят неестественно.

Использование трехмерной графики

Область применения трехмерной графики невероятно широка, она простирается от промышленной индустрии до сферы образования. Как правило, для создания мультимедийных проектов, фильмов, широковещательных передач и игровых приложений требуется гораздо больше аниматоров и разработчиков трехмерных моделей, чем в каких-либо исследовательских лабораториях. Приятно осознавать, что возможности данной отрасли настолько многогранны и различны.

3.2 Обзор существующих программ 3D-моделирования

Рассмотрим некоторые из программ 3D-моделирования. Программа 3D Studio Max предназначена для работы с объемной графикой (Рисунок 30). Наверное самый известный и популярный из всех 3D-редакторов. Позволяет делать как статичные сцены так и трехмерную анимацию.

Программа крайне многогранна – соответственно, и область ее применения очень широка: от моделирования простых интерьеров и промышленных изделий до визуализации сложнейших анимированных сцен, от создания фотореалистичных ландшафтов до создания рекламного или обучающего ролика. Кроме собственных средств моделирования, 3DS Max имеет интерфейс для подключения plugin модулей от сторонних фирм. И эти модули постоянно появляются на рынке. Так что возможности базовой версии 3DS Max легко расширяются.

Рисунок 30 – Программа 3D Studio Max

Программа iClone предназначена для работы с 3D-анимацией (Рисунок 31). В ней пользователи могут найти уже готовых 3D-персонажей, а также все, что нужно для создания их виртуального жизненного пространства – одежду, реквизит, ландшафты. В iClone есть также большая библиотека движений, которые можно задавать персонажам. Но самая интересная возможность программы – использовать для лиц 3D-героев фотографии реальных людей. Для этого используется запатентованная технология FaceTrix, превращающая фотографию в 3D. Программа хорошо взаимодействует с редакторами 2D-графики, благодаря чему прощается редактирование текстур, а также поддерживает программы 3ds Max или Maya, при помощи которых можно создавать элементы библиотеки для персонажей. Все сцены могут быть визуализированы в реальном времени с учетом рельефа, отражений и прозрачности.

Рисунок 31 - Программа iClone

Blender - редактор трехмерной графики и анимации, компактный, бесплатный и при этом вполне сопоставимый по возможностям с большинством других 3D-редакторов (Рисунок 32). Несмотря на относительно небольшой размер, функций этого пакета вполне достаточно для работы как обычным пользователям, так и профессионалам. Blender включает в себя средства 3D моделирования, анимации, рендеринга, обработки видео, набор опций для создания интерактивных игр, визуальные 3D эффекты и многое другое. Используя эту программу, можно создавать реалистичные 3D картины, с качеством цифровой фотографии. В этой программе появился есть движок для выполнения 3D моделирования и анимации, улучшена работа с естественными текстурами и структурами (кожа человека, волосы), улучшено создание 3D текста, есть инструменты (например, инструмент Rip для создания визуальных разрезов и разрывов).

Рисунок 32 – Программа Blender

  3.3 Применение и преимущества трёхмерного моделирования

Трехмерное моделирование (3d-графика) сегодня применяется в очень многих сферах. Конечно, в первую очередь, это строительство. Это может быть модель будущего дома, как частного, так и многоквартирного или же офисного здания, да и вообще любого промышленного объекта. Кроме того, визуализация активно применяется в дизайн-проектах интерьеров.

3D-модели очень популярны в сайтостроительстве. Для создания особенного эффекта некоторые создатели сайтов добавляют в дизайн не просто графические элементы, а трехмерные модели, иногда даже и анимированные. Программы и технологии трехмерного моделирования широко применяются и в производстве, 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 к современным трехмерным компьютерным программам. Постепенно новые технологии осваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые.

Рисунок 33 - Дизайн-проекта будущего помещения

Конечно, в основном трехмерные модели используются в демонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а также используются в работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, каким будет итоговый результат. Кроме того, методы трехмерного моделирования нужны там, где нужно показать в объеме уже готовые объекты или те объекты, которые существовали когда-то давно. Трехмерное моделирование это не только будущее, но и прошлое и настоящее.

Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D-визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Можно изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Фантазия практически 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. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудозатратный процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.

Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.

 
4. Создание клипа (3D-анимации) с помощью программы iClone 4.12

Перед тем как начать работу, нужно запустить программу iClone 4.12. Запустив программу увидим виртуальное пространство, в котором работает пользователь. Это виртуальное пространство называется трехмерной сценой. В верхнем левом углу находится Content manager (права менеджера), в нижнем левом углу Scene manager (сцена менеджера), а с правой стороны находятся Modify (Изменения).

После небольшого ознакомления с программой переходим к созданию видео. Заходим на вкладку Stage (Этап) - 3d Scene (3d сцены). В Content manager (права менеджера) видим уже несколько готовых сцен. Выбираем сцену каньон и эта сцена появится в трехмерной сцене. 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 свет падал на ту область, где будет происходить какое-то действие. После того как свет настроили переходим на вкладку Set (Набор) - Water (Воды) и выбираем воду «легкие волны». В изменениях регулируем размер волны и скорость течения волн. Также можно настроить отражение и преломление. Дальше открываем вкладку Sky (Небо) и выбираем небо, которое больше всего подходит к нашему пейзажу. Так же вместо неба можно поставить анимационное видео, для этого надо зайти в Video (Видео) и выбрать то, которое больше всего понравиться, и подойдет к пейзажу, например «диффузные воды». Можно сказать, что половина видео готова.

Теперь переходим к созданию персонажа. Выбираем вкладку Actor (Актер) и в сцене менеджера есть уже несколько готовых персонажей. Выберем персонажа по имени Dylan. В окне изменения производим настройки. Возьмем стиль тела – средняя, отрегулируем пропорции тела и настроим длину пальцев. Если персонаж стоит не на том месте, где должен, то щелкнув по нему правой кнопкой мыши, выберем преобразование – двигаться. И можем перемещать персонажа. После того как мы сделали все настройки персонажу, то переходим на вкладку Hair (Волосы). Здесь можно выбрать любую прическу для своего героя. Выбрав прическу, переходим дальше на вкладки Upper body (Верхняя часть тела), Lower body (Нижняя часть тела), shoes (обувь) и Accessories (Аксессуары). Тут выбираем одежду для героя, обувь и аксессуары. Если мы хотим поставить вместо персонажа свое лицо, то нужно зайти во вкладку Head (Руководитель) и там уже производить настройки по установлению своего лица на лицо персонажа.

Теперь добавим нашему персонажу движения и для этого зайдем во вкладку Animation (Анимацию) - Motion (Движения). Нам на выбор дается много всяких движений: танцы, боевые искусства, ходьба и т.д. Выберем этому персонажу танец НIP-HOP. Вернемся во вкладку Set (Набор) – Music (Музыка), здесь мы можем поставить стандартную музыку, которую нам предлагает компьютер, либо выбрать свою. Выбираем свою музыку, которая подойдет под танец HIP-HOP.

Запускаем видео и смотрим, все ли работает. Если же все в порядке, то идем на вкладку EXPORT – Video. Здесь выбираем формат видео, разрешение, качество, диапазон мощности. После того как все настроили нажимаем кнопку EXPORT и программа переводит анимацию в видео.

Процесс создания клипа и анимации показан в Приложении.