47882 (Организация автоматизированного рабочего места 3D-аниматора), страница 2

Или при просмотре фильма всегда можно отличить, где настоящий человек загримирован под чудовище, а где чудовища целиком и полностью трехмерные. Чаще всего - кинокадр это смешение живой съемки и компьютерной графики.

Рассмотрим, что позволяет 3D-изображению быть трехмерным. Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции 3D моделей в сцене на экране компьютера с помощью специальных программ.

При этом в 3D можно создать все, что угодно, любое нечто: это может быть фотореалистичный дом, например, который никто и не отличит, а может быть летающий корабль, который никто никогда не видел. Причем он будет вписан в сцену так, что все поверят. Модели могут быть созданы по образу и подобию конкретного объекта: модель с машины, упаковки любого товара, платья из коллекции, даже человека можно «замоделить» с портретной схожестью. А может быть создано просто дерево, или просто цветок, или просто гора, для этого используются фрактальные генераторы.

Следующий термин, который хочется объяснить: создание 3D. Процесс непростой и состоит из двух основных этапов:

Моделирование – создание модели сцены и объектов в ней.

Рендеринг – построение проекции созданной модели в выбранном ракурсе.

Внутри этих этапов производства 3D есть еще много нюансов, которые послужат темами еще ни одной статьи.

Теперь, когда появилась возможность создавать трехмерные модели, дизайнеры хотят, чтобы эта трехмерность была доступна в полном объеме всем зрителям. Уже созданы 3D кинотеатры, 3D принтеры, 3D мониторы, 3D телевидение. Но над этими разработками еще работать и работать, пока каждый человек 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 трёхмерная модель, неизбежно придётся забираться в геометрические дебри, - без них никак.

Вершина (ед. Vertex, мн. Vertices) - грубо говоря, это абстрактная геометрическая точка с координатами X, Y и Z. Вершиной она называется, впрочем, потому, что является крайней точкой либо замкнутого полигона (плоского многоугольника), либо объёмной фигуры.

Грань (Edge) - отрезок прямой, соединяющий две вершины. Опять же, в трёхмерной графике это не самостоятельное нечто, а лишь ограничитель для полигонов.

Полигон (poly, polygon) - основная функциональная составляющая: плоская многоугольная фигура (обычно трёхмерные редакторы и другие приложения предпочитают оперировать только треугольниками и четырёхугольниками), из множества которых состоит поверхности трёхмерной фигуры.

Любую даже самую сложную фигуру или поверхность можно представить в виде множества простых фигур: такая идеальная фигура, как шар (точнее, сфера), в компьютерной графике в любом случае представляется в виде множества треугольников и четырёхугольников. Чем их будет больше, тем выше степень приближения, то есть, тем более гладкой, тем более сферической будет поверхность. Но опять-таки, это вопрос степени приближения.

Рисунок 1 - Трёхмерная модель

Текстура - изображение, покрывающее поверхность трёхмерной фигуры, используется для придания трёхмерной фигуре материальной достоверности. О текстурах и материалах подробно речь пойдёт в следующей части.

Нормаль и карта нормалей - нормалью называется вектор, перпендикулярный поверхности в каждой данной её точке. Карта нормалей - это определённого рода текстура, цветовая информация которой (то есть, цвет каждого пикселя) считывается как информация о расположении нормали каждой точке того или иного объекта; с помощью карты нормали можно сформировать иллюзию более сложной поверхности, чем она есть на самом деле.

Это нужно для экономии полигонов. Благодаря картам нормалей низкополигональным моделям можно придать вид очень высокополигональных (естественно, с известной долей приближения, но всё-таки). Ранее эта технология не слишком активно применялась по той причине, что карты нормали были крайне сложны в изготовлении - до появления таких пакетов, как MudBoxи ZBrush (и Blender3D), в которых поддерживается технология «скульптурного» моделирования, изготовить правильную карту нормалей было подчас задачей весьма и весьма нетривиальной.

В 2004 году id Software выпустили Doom III, где Normal Mapping использовался повсеместно, и с тех пор эта технология стала уже некоторым образом «общим местом» (Рисунок 2). Особенно в силу того, что «скульптурное» моделирование значительно облегчает жизнь в плане дизайна.

Рисунок 2 – Normal Mapping

2.3 Скульптурное моделирование

Скульптурное моделирование - это имитация ваяния, точнее, лепки из пластилина или глины. Инструментарий, который предоставляют 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 очень характерный: 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 простой поверхности.

2.4 Создание 3D-модели: придать простому вид сложного

Создадим самое примитивное: кубик (8 вершин, 6 граней, 12 рёбер - базовая структура) (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Кубик

Теперь у нас в программе есть режим «лепки». Используем по полной: подвергнем форму кубику ужасным истязаниям (Рисунок 5):

Рисунок 5 - Режим «лепки».

В результате у нас получилось: высокополигональная, детализированная фигура с очень сложной поверхностью, где счёт вершинам и полигонам переваливает за 45 тысяч. А если мы зададим нашему компьютеру задание: «преврати вот эту штуку в плоскую картинку, чтобы мы другу послали ее или напечатали на принтере» – то компьютер будет очень долго думать над этой задачей.

Между тем, с помощью карты 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: в сущности, это не более чем текстура, правда, со своим особым цветовым пространством, где цветовая информация - а именно, комбинация красного (R), зелёного (G) и синего (B) цветов для каждого пикселя – описывает его видимое положение в системе координат X, Y и Z, каждый цвет соответствует одной из осей координат. Вот так выглядит карта нормалей (Рисунок 6):

Рисунок 6 - Карта нормалей

Потому что для её получения потребовалось сделать UV-развёртку, т.е. осуществить развёртку поверхности трёхмерной фигуры на плоскость. Накладываем карту нормалей. (Рисунок 7).

Рисунок 7 - Наложение карты нормалей

Наложение карты нормалей и Voila удалось не полностью, потому что в сложной фигуре были искривлены боковые грани, и существенно. А на простом кубе они остались на месте. Если бы они были скруглены и искажены примерно так же, как у высокополигональной фигуры, карта нормалей смотрелась бы намного более убедительно.

Кроме того: лунки на гранях высокополигональной фигуры слишком глубокие. Карты нормалей хороши для того, чтобы имитировать небольшие шероховатости, а не глубокие рытвины на плоской поверхности. Более того, если поверхность с наложенной картой нормалей оказывается под большим углом к зрителю (как на иллюстрации), обман становится очевиден. Опять-таки: карта нормалей позволяет экономить на полигонах, но лишь до известного предела. Вот так и создается любая 3D модель.

2.5 Трехмерное моделирование

Речь пойдёт о традиционных методах 3D-моделирования, оставляя в стороне пакеты скульптурной трехмерной графики. Наиболее употребительный технический прием – это формирование модели из «примитива», простой геометрической фигуры, плоской или объёмной, которая, путём всевозможных 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 их фрагментов), 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, то операция объединения (union) позволяет составить из двух соприкасающихся или пересекающихся объектов один, чья поверхность состоит из суммы поверхностей исходных объектов, за вычетом тех областей, где происходит пересечение.

Что касается деформаций в процессе трехмерного моделирования, то здесь ключевыми можно назвать экструдирование (extrude) отдельных элементов - вершин, рёбер и/или граней. Разделение (subdivide), при котором ребро или грань разбивается на несколько равных частей, и перемещение и вращение отдельных элементов, так что любой кубик можно закрутить в бараний рог, в самом буквальном смысле (Рисунок 9).

Есть и чуть более «экзотические» приёмы, такие, как «разрезание» одной или нескольких граней (или одного или нескольких рёбер) в произвольных местах (Loop Subdivide, Knife Subdivide и т.д., названия могут меняться от пакета к пакету).

Рисунок 8 - Булевы операции

Рисунок 9 – Деформации

Задачу 3D-моделлера можно исчерпывающим образом сформулировать, перефразировав древнее изречение: главное – найти в трехмерном примитиве душу и «убрать всё лишнее».

Форму исходной фигуры, т.е. исходного примитива стоит выбирать, исходя из представлений о конечном облике планируемого 3D творения – это, в общем-то, совершенно очевидные вещи.

Но не на одних только примитивах свет клином сошёлся: помимо них есть смысл использовать при моделировании NURBS и/или кривые и поверхности Безье (Besier Curves, Besier Patches).

«Высшим пилотажем», хотя и 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 которого потом выстраиваются другие геометрические фигуры. Например, шланг или изогнутый ствол дерева удобнее всего моделировать из множества окружностей, «нанизанных» на направляющую кривую.

Использование кривых и сплайнов позволяет добиться особой гладкости 3D модели, минимизируя заметность полигонов.

Очень полезно также при 3D моделировании использование всевозможных средств дубликации: расхожий пример – формирование винтовой лестницы (Рисунок 11). Вручную её собирать – долго и мучительно. Однако процесс вполне можно автоматизировать – разные 3D-пакеты предоставляют разные средства для этого.

Рисунок 11 - Средство дубликации

В любом случае, чем большим количеством инструментов из числа предоставляемых тем или иным пакетом владеет моделлер, тем проще дается 3D моделирование работать и тем больше времени он сэкономит.

2.6 3D-текстуры

Допустим, у нас созрела некоторая модель – и выглядит она пластмассовой: единый ровный цвет, ровная поверхность. Надо ее раскрасить. Для этого существуют т.н. материалы и текстуры.

Материал – это комбинация физических свойств модели: какой её основной цвет, как она поглощает, преломляет, пропускает, рассеивает или отражает свет, какова фактура поверхности и 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, отражения и преломления, затенения, смещения поверхности, эффектов пост-обработки и наложения текстур) и самих текстур, – растровых изображений, с помощью которых полигональной поверхности можно придать нужную окраску и/или иллюзию рельефа. В некоторых пакетах с помощью текстур можно воздействовать на карты нормалей и другие характеристики поверхности, связанные с поглощением или отражением света.

Текстурирование – не менее значимый процесс в создании трёхмерной графики, чем непосредственно моделирование, а может быть, и более; и в чём-то он даже более сложен в освоении, нежели работа с полигонами (Рисунок 12).

Подобрать правильную «одёжку» и, самое главное, правильно её расположить на поверхности модели – задача трудоёмкая и каверзная, особенно, если поверхность сложная.

Возьмём два примера. Первый – это текстурирование определённого природного ландшафта. Тут очень уместно вспомнить, как выглядят открытые пространства в таких играх, как World of Warcraft или других фэнтезийных массивно-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 одним растровым изображением (хотя в id Software разработана технология Megatexture, позволяющая поступать как раз таким образом – одной картинкой накрывать весь огромный ландшафт как стол скатертью).