МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ
МИНИСТЕРСТВО ИМУЩЕСТВЕННЫХ ОТНОШЕНИЙ
САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЧАПАЕВСКИЙ ГУБЕРНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
Приложение 3ds Max как инструментальное средство разработки графических объектов (на примере ГБОУ СПО ЧГК)
Исследовательская работа
студентки 34 группы III курса
специальности 230115
Программирование в компьютерных системах
Ледяевой Анастасии
Вячеславовны
Научный руководитель:
Дикова Вера Геннадьевна.
.
Чапаевск, 2015 г.
Содержание
Введение
|
3
|
Глава 1 Теоретические основы разработки графических моделей в программе трехмерной графики 3ds Max
|
5
|
1.1 Историческая справка
|
5
|
1.2 Сравнительная характеристика программ разработки
трехмерных изображений
|
6
|
1.3 Характеристика и основные возможности программы трехмерной графики 3ds Max
|
18
|
Глава 2 Практическая реализация разработки 3d-моделей учебного корпуса ГБОУ СПО ЧГК
|
25
|
2.1 Разработка модели учебного корпуса ГБОУ СПО ЧГК
|
25
|
2.2 Описание процесса создания трехмерной модели учебного корпуса ГБОУ СПОЧГК
|
25
|
2.3 Методические рекомендации по созданию трехмерного изображения рабочего места программиста
|
33
|
Заключение
|
42
|
Список источников информации
|
43
|
Введение
Машинная графика в настоящее время уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных изображений - от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Машинная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Знание её основ в наше время необходимо любому ученому или инженеру. Машинная графика властно вторгается в бизнес, медицину, рекламу, индустрию развлечений, образование. В этом, на наш взгляд, состоит актуальность исследования.
На сегодняшний день создано большое количество программ, позволяющих создавать и редактировать трёхмерные сцены и объекты. Среди наиболее популярных можно назвать 3D studioMax, которая позволяет разрабатывать трёхмерные компьютерные ролики. Область её применения – в основном реклама, игровая мультипликация и оформление телевизионных передач.
Что же такое трехмерная графика? Определений этого понятия существует достаточно много. «Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ» [2.6, 3]. Другое определение, не столь формальное, дал в одной из своих научных работ Михаил Маров: «3D графика предназначена для имитации фотографирования или видеосъемки трехмерных образов объектов, предварительно подготовленных в памяти компьютера». Определений одного и того же понятия существует десятки, но суть, ядро столь обширной области деятельности остается неизменным.
Проблема заключается в том, что на данный момент большинство электронных самоучителей, пособий, печатных изданий ориентировано на освоение 3D studioMax если не опытными специалистами – графиками, то достаточно продвинутыми пользователями.
Объект исследования: приложение 3ds Max как инструментальное средство разработки графических объектов.
Предмет исследования: процесс разработки трехмерных графических объектов средствами приложения 3ds Max.
Цель: создание модели учебного корпуса ГБОУ СПО ЧГК в приложении 3ds Max.
Задачи:
Изучить и проанализировать существующие программные средства разработки трехмерных моделей.
Освоить основные этапы создания 3d модели в приложении 3dsMax 2014.
Создать 3d модели в соответствии с требованиями заказчика.
Протестировать 3dмодели на наличие ошибок в освещении, текстурировании и геометрии.
Апробировать методические рекомендации по созданию трехмерных моделей на группе студентов.
Гипотеза исследования: разработанные автором методические рекомендации позволят использовать возможности приложения 3ds Max для построения простейших трехмерных графических изображений.
Методы исследования: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, диагностика.
База исследования: ГБОУ СПО «Чапаевский губернский колледж».
Теоретическая значимость: изучена и систематизирована информация по функциональным возможностям программы трехмерного моделирования 3ds Max.
Практическая значимость: возможность использования разработанных автором методических рекомендаций студентами колледжа при изучении темы трехмерного моделирования на учебной дисциплине «Информационные технологии», МДК 04.02 «Технология создания и обработки цифровой мультимедийной информации».
Глава 1 Теоретические основы разработки графических моделей в программе трехмерной графики 3dsMax
1.1 Историческая справка
Первую кафедру компьютерной графики, в Университете Юты, открыли в 1960-х годах Айван Сазерленд и Дэвид Эванс. Сазерленд создал программу, которая являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем -Sketchpad. На кафедре Сазерленда и Эванса работали такие люди, как Джим Блинн (создатель многих алгоритмов текстурирования), Би ТюнФонг и Анри Гуро, которые также приложили руку к развитию алгоритмов затенения и текстурирования (Phongshading и Gouraudshading). Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл- впоследствии технический директор и президент PixarAnimationStudios, кинокомпании, которая подарила нам «Историю игрушек», первый полнометражный анимационный фильм, созданный в трехмерных редакторах и программах трехмерной анимации. Его сборы по миру превысили 380 миллионов долларов, его триквел стал первым анимационным фильмом, собравшим в мировом прокате более миллиарда долларов, а про славу, которую этот мультфильм принес компании Pixar, даже говорить не нужно.
Но «История игрушек» вышла на экраны в 1995 году, а премьера первого фильма с использованием отдельных элементов трехмерной графики (Futureworld) состоялась еще в 1976-м. В то же время создавались первые программы 3D-моделирования, первые алгоритмы трассировки лучей для рендеринга трехмерной сцены и активно развивался полигональный метод моделирования трехмерных объектов, который сейчас является основным.
В середине 1980-х появились первые стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики - MGA, CGA, EGA. Сейчас это кажется странным, но в начале 1980-х палитра в 16 цветов была пределом мечтаний для любителей компьютерной графики, да и из этой палитры можно было одновременно использовать только 4 цвета для вывода изображения. А разрешения экранов вообще измерялись не пикселями, как сейчас, а строками, так как в то время еще не стояла остро задача выводить изображения на дисплей.
Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики
Но время шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя, отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по классу устройства объединились в одно - видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-, и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились специальные обработчики шейдеров - микропрограмм, которые сейчас отвечают за обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма, отражений).
В 1998 году частоты, на которых работала память видеокарты, были в сто раз меньше, чем сейчас; объем памяти за это время вырос практически в тысячу раз. Про производительность даже говорить не приходится - видеокарты конца 90-х не могут решить и малой доли задач, которые современные видеокарты выполняют сотни раз в секунду.
Но в основе этого прогресса, да и самой идеи передачи трехмерного изображения, лежат научные открытия, сделанные даже не десятки, а сотни и тысячи лет назад. Без геометрии и функций невозможно задать поверхность в пространстве, без описания поверхности невозможно создать ее представление в компьютерной графике с помощью кривых, полигонов или вокселей. Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики.
1.2 Сравнительная характеристика программ разработки трехмерных изображений
3DCrafter 9.3 Build 1591. Относительно простой, бесплатный редактор, позволяющий создавать объёмные сцены, 3D-объекты и полноценно анимировать их для использования в проектировании и мультипликации. Программа активно использует технологию Drag&Drop (перетаскивание объектов мышью), а также привычные для обычных векторных редакторов инструменты — рисование контуров, кисть, заливка, стёрка, выделение и т.д.
Куда бы мы ни пошли во всемирной сети Интернет, всюду у нас на слуху интересное и непонятное словосочетание — 3D-дизайн. Слыша это, мы сразу вспоминаем о крутых голливудских спецэффектах или навороченных компьютерных играх.
Однако, трехмерная графика применяется сейчас гораздо шире. Это еще и всевозможные чертежи, и анимация на страничках сайтов, и те же текстовые эффекты, используемые некоторыми дизайнерами для приукрашения своего ресурса.
Возможности программы 3D-моделирования 3DCrafter представлены на Рисунке 1:
Рисунок 1. Окно программы
В этой небольшой (по сравнению с крутыми редакторами) программе реализованы такие серьезные возможности, как:
поддержка технологии DrugandDrop (перетаскивание мышью);
инструмент «MagicWand», служащий для деформации объектов при помощи специальной объемной кисти;
наличие готовой базы текстур и геометрических примитивов;
возможность стандартного полигонального моделирования, а также инструменты для сглаживания поверхностей (interactivesurfacesubdivision);
традиционная анимация по ключевым кадрам, а также скелетная анимация персонажей;
импорт трехмерных объектов из формата .dxf;
экспорт сцен в файлы .pov и .rib.
Существует также еще два варианта поставки программы (Plus и Pro). В них и включено гораздо больше функций, но они являются платными. Поэтому будем исходить из нашего «нищенского» положения и посмотрим, что же предлагает нам бесплатная редакция 3DCrafter. А предлагает она немало.
К сожалению, 3DCrafter существует только в виде английской версии, поэтому перед тем как начинать работать рекомендуется вспомнить хотя бы школьный курс сего нелегкого, но очень необходимого предмета. Также неплохо было бы иметь под рукой хороший англо-русский словарь (или программу-переводчик).
Blender - свободный, профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью "узлов" (NodeCompositing), а также для создания интерактивных игр. В настоящее время пользуется наибольшей популярностью среди бесплатных 3D редакторов в связи с его быстрым и стабильным развитием, которому способствует профессиональная команда разработчиков. Характерной особенностью пакета Blender является его небольшой размер по сравнению с другими популярными пакетами для 3D-моделирования. В базовую поставку не входят развёрнутая документация и большое количество демонстрационных сцен.
Функции пакета: поддержка разнообразных геометрических примитивов, включая полигональные модели, систему быстрого моделирования в режиме subdivisionsurface (SubSurf), кривые Безье, поверхности NURBS, metaballs (метасферы), скульптурное моделирование и векторные шрифты, Универсальные встроенные механизмы рендеринга и интеграция с внешним рендереромYafRay, LuxRender и многими другими.
Инструменты анимации, среди которых инверсная кинематика, скелетная анимация и сеточная деформация, анимация по ключевым кадрам, нелинейная анимация, редактирование весовых коэффициентов вершин, ограничители, динамика мягких тел (включая определение коллизий объектов при взаимодействии), динамика твёрдых тел на основе физического движка Bullet и система волос на основе частиц.
Python используется как средство создания инструментов и прототипов, системы логики в играх, как средство импорта/экспорта файлов (например COLLADA), автоматизации задач.
GameBlender- подпроектBlender, предоставляющий интерактивные функции, такие как определение коллизий, движок динамики и программируемая логика. Также он позволяет создавать отдельные real-time приложения начиная от архитектурной визуализации до видео игр.
Blender имел репутацию программы, сложной для изучения. Практически каждая функция имеет соответствующее ей сочетание клавиш, и учитывая количество возможностей, предоставляемых Blender, каждая клавиша включена в более чем одно сочетание (shortcut). C тех пор как Blender стал проектом с открытым исходным кодом, были добавлены полные контекстные меню ко всем функциям, а использование инструментов сделано более логичным и гибким. Прибавим сюда дальнейшее улучшение пользовательского интерфейса с введением цветовых схем, прозрачных плавающих элементов, новой системой просмотра дерева объектов и разными мелкими изменениями.
Отличительными особенностями интерфейса пользователя является следующее.
Режимы редактирования. Два основных режима Объектный режим (Objectmode) и Режим редактирования (Editmode), которые переключаются клавишей Tab. Объектный режим в основном используется для манипуляций с индивидуальными объектами, в то время как режим редактирования — для манипуляций с фактическими данными объекта. К примеру, для полигональной модели в объектном режиме мы можем перемещать, изменять размер и вращать модель целиком, а режим редактирования используется для манипуляции отдельных вершин конкретной модели. Также имеются несколько других режимов, таких как VertexPaint и UV Faceselect.
Широкое использование горячих клавиш. Большинство команд выполняется с клавиатуры. До появления 2.x и особенно 2.3x версии, это был единственный путь выполнять команды, и это было самой большой причиной создания репутации Blender’y как сложной для изучения программы. Новая версия имеет более полное графическое меню.
Управление рабочим пространством. Графический интерфейс Blender’а состоит из одного или нескольких экранов, каждый из которых может быть разделён на секции и подсекции, которые могут быть любой частью интерфейса Blender’a. Графические элементы каждой секции могут контролироваться теми же инструментами, что и для манипуляции в 3D пространстве, для примера можно уменьшать и увеличивать кнопки инструментов тем же путём, что и в 3D просмотре. Пользователь полностью контролирует расположение и организацию графического интерфейса, это делает возможным настройку интерфейса под конкретные задачи, такие как редактирование видео, UV mapping и текстурирование, и сокрытие элементов интерфейса которые не нужны для данной задачи. Этот стиль графического интерфейса очень похож на стиль, используемый в редакторе UnrealEd карт для игры UnrealTournament.
Рабочее пространство Blender’а считается одним из самых новаторских концепций графического интерфейса для графических инструментов и вдохновлённым дизайном графического интерфейса патентованных программ, таких как Luxology’sModo.
Дополнительные особенности
В программе Blender объект (сущность, взаимодействующая с окружающим миром) и его данные (форма или функции объекта) разделяемы. Отношение Объект-Данные представляется отношением 1:n (термин, относящийся к теории баз данных, обозначает возможность нескольких объектов использовать одни и те же данные - один ко многим или сюрьекция).
Внутренняя файловая система, позволяющая хранить несколько сцен в едином файле (называемом .blend файл).
Все «.blend» файлы совместимы как с более старыми, так и с более новыми версиями Blender. Так же все они переносимы с одной платформы на другую и могут использоваться как средство переноса созданных ранее работ.
Blender делает резервные копии проектов во время всей работы программы, что позволяет сохранить данные при непредвиденных обстоятельствах.
Все сцены, объекты, материалы, текстуры, звуки, изображения, post-production эффекты могут быть сохранены в единый «.blend» файл.
Настройки рабочей среды могут быть сохранены в «.blend» файл, благодаря чему при загрузке файла вы получите именно то, что сохранили в него. Файл можно сохранить как «пользовательский по умолчанию», и каждый раз при запуске Blender вы будете получать необходимый набор объектов и подготовленный к работе интерфейс.
Тем не менее, внутреннее содержание «.blend» файла менее похоже на структурированное описание объектов и их взаимоотношений, и более близко к прямому дампу области памяти программы. Это делает практически невозможным преобразование «.blend» файлов в другие форматы. При этом следует заметить весьма продвинутый механизм экспорта в разнообразные форматы, такие как obj, dxf, stl, 3ds и прочие (список постепенно растёт).
Достоинства:
бесплатность;
открытость кода;
постоянное развитие;
небольшой размер установщика;
возможность создания игр;
кроссплатформенность;
большое количество модификаторов;
возможность создания анимации;
работа с «костями»;
настройка фона;
монтаж видео;
скининг;
трекинг видео;
Недостатки:
отсутствие документации в базовой поставке, но ее можно найти на сайте программы;
Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) - полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, доразработанная компанией Autodesk. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа.
В Autodesk 3ds Max и Autodesk 3ds MaxDesign представлены наиболее полные комплекты инструментов для 3D моделирования:
Возможности моделирования с помощью полигонов, сплайнов и неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) позволяют эффективно создавать параметрические и органические объекты.
Набор инструментов моделирования Graphite, включающий в себя более 100 инструментов для моделирования с помощью полигонов и создания 3D произвольных форм, открывает простор для развития творческой мысли.
Технология ProOptimizer обеспечивает высокую точность управления гранями и точками моделируемого объекта. Количество выделенных объектов можно сокращать до 75% без уменьшения детализации.
Инструменты сглаживания полигональных сеток и работы с сабдив-поверхностями позволяют тщательно прорабатывать мелкие детали и оптимизировать сети для интерактивной манипуляции и рендеринга. Пример инструмента представлен на Рисунке 2.
о
Рисунок 2. Окна рендеринга
Затенение и работа с текстурами - широкий выбор средств раскрашивания, наложения и конфигурирования слоев текстур, а также простое отслеживание объектов в сцене:
Возможности творческой работы с текстурами, включая размещение мозаикой, зеркальное отражение, декали, размытие, нанесение сплайнов, растягивание текстур UV, устранение искажений, фиксацию текстур UV, экспорт UV-шаблонов и др.
Редактор материалов Slate позволяет моделировать затененность любого уровня сложности, используя обширные библиотеки текстур, изображений, образцов материалов и процедурных текстур.
Функция рендеринга в текстуры позволяет «запекать» параметры материалов и освещенности каждого объекта в новые карты текстур. Инструмент для работы с анимацией персонажа представлен на Рисунке 3.
Рисунок 3. Процесс работы с анимацией персонажа
Анимация - передовые инструменты помогут вам создавать интеллектуальных, правдоподобных персонажей и выполнять высококачественную анимацию:
Инструменты анимации персонажей (CharacterAnimationToolkit, CAT), двуногих существ и толпы позволяют эффективно выполнять процедурную анимацию и оснастку.
Модификаторы Skin и CAT Muscle позволяют осуществлять точное и плавное управление скелетной деформацией при перемещении костей.
Вы можете оснащать сложные механизмы и персонажей нестандартными скелетами, используя кости 3ds Max, модули решения задач обратной кинематики (IK) и настраиваемые средства оснастки.
Объединение одно- или двусторонних связей между контроллерами позволяет создавать упрощенные интерфейсы анимации.
Объекты CAT, Biped и 3ds Max могут быть анимированы с использованием слоев, что позволяет работать с очень плотными данными о захвате движения без нарушения ключевых кадров.
Моделирование динамики и эффектов - проверенные эффективные инструменты помогут создавать динамику и эффекты:
Встроенный модуль моделирования одежды позволяет преобразовывать в одежду практически любые 3D объекты, а также создавать предметы одежды с нуля. Затем в них можно внести изменения и анимировать.
Вы можете накладывать эффекты мехового и волосяного покрова, а также другие эффекты на основе прядей (например, трава), и с высокой точностью управлять их стилизацией и анимацией. Результат эффектов представлен на Рисунке 4.
Рисунок 4. Эффекты реалистичного освещения
Вы можете разрабатывать сложные событийно-управляемые эффекты частиц (например, воды, огня, брызг или снега) и управлять ими с помощью выражений, сценариев и непосредственных манипуляций.
Рендеринг - мощные возможности 3D рендеринг, которые вы можете наблюдать на Рисунке 5, помогут вам получить изображения потрясающего качества за меньшее время:
Рисунок 5. Результат рендеринга сцены
Вы можете выполнять высококачественную предварительную визуализацию, анимацию и подготавливать маркетинговые материалы, используя инновационный высокопроизводительный рендер Quicksilver.
Модуль рендеринга mentalray® позволяет быстро настроить фотореалистичное освещение и пользовательские шейдеры.
Неограниченные возможности пакетного рендеринга в mentalray позволяют эффективно задействовать ресурсы сети и выполнить рендеринг быстрее.
Система Reveal™ позволяет визуализировать отдельные области как на видовом экране, так и в буфере кадра.
Одновременный вывод результатов нескольких проходов рендера, включая изображения с широким динамическим диапазоном (HDR) из архитектурных и дизайнерских материалов, в модуль 3ds Max® Composite.
Интеграция рабочих процессов - импорт данных из разных источников и налаженная передача данных Autodesk 3ds Max и Autodesk 3ds MaxDesign между файлами, приложениями, пользователями и рабочими местами:
Технология Autodesk® FBX® позволяет обмениваться данными с ведущими 3D приложениями, в том числе Autodesk® Maya® - программой для 3D анимации, моделирования, создания визуальных эффектов, рендеринга и композитинга; Autodesk® Mudbox™ - программой для цифровой 3D скульптуры и рисования текстур, а также Autodesk® Revit® Architecture - программой для проектирования зданий.
Недеструктивные процедуры связывания файлов позволяют эффективно работать с изменениями исходных проектных данных, созданных в приложениях Autodesk, поддерживающих экспорт в формате FBX.
Импорт данных о твердых телах из 3D САПР Autodesk® Inventor® непосредственно в Autodesk 3ds Max и Autodesk 3ds MaxDesign.
Возможность объединения данных в более чем 30 2D и 3D форматах, включая 3ds, AI, DEM, XML, DDF, DWG, DXF, FBX, DAE, IGES, IPT, IAM, OBJ, STL, VRML, FLT, SAT и SKP.
Совместная работа - несколько пользователей могут совместно работать над сложными сценами, обмениваясь данными:
Вы можете повысить скорость работы со сценами и снизить расход памяти, временно выгружая контейнеры из видового экрана с сохранением их взаимосвязи со сценой и загружая их обратно по мере необходимости.
Вы можете перемещать, удалять, копировать и сохранять узлы контейнеров.
Вы можете использовать контейнеры для переопределения свойств объектов при организации сцены, не влияя при этом на организацию слоев (аналогично работе с вложенными слоями).
Возможность связывания контейнеров, созданных разными пользователями, в одну сцену, а также изменения контейнеров других пользователей позволяет сделать совместную работу более гибкой и предотвратить несанкционированные изменения.
Характеристика и основные возможности программы трехмерной графики 3dsMax
Трёхмерная графика - раздел компьютерной графики, совокупности приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Пример 3d-графики можно наблюдать на Рисунке 6.
Рисунок 6. Пример 3D-графики
Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
3D-моделирование - это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования - разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта.
Игровые 3D модели (low-poly) - как следует из названия, такие 3D модели чаще всего встречаются в компьютерных играх.
Английское lowpolygonal (сокращенно low-poly) переводится как низко полигональные, то есть модели, поверхности которых состоят из относительно небольшого числа полигонов, а проще говоря, двухмерных многоугольников.
От количества этих самых полигонов зависит детализация и сложность объекта, а следовательно, и его «вес» в битах.
Чем больше полигонов - тем медленнее процесс загрузки 3D анимации на экране, который раздражает игрока и простого зрителя.
Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:
Моделирование - создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
Текстурирование - назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов - прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
Освещение - установка и настройка источников света;
Анимация (в некоторых случаях) - придание движения объектам;
Динамическая симуляция (в некоторых случаях) - автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом;
Рендеринг (визуализация) - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
Композитинг (компоновка) - доработка изображения;
вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.
Моделирование. Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:
- геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);
- материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);
- источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);
- виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);
- силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);
- дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)
Схему проецирования сцены на экран компьютера вы можете наблюдать на Рисунке 7.
Рисунок 7. Схема проецирования сцены на экран компьютера
Задача трёхмерного моделирования - описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.
Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов - прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.
Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:
PixologicZbrush;
Autodesk Mudbox, Autodesk 3D max;
Robert McNeel& Assoc. Rhinoceros 3D;
GoogleSketchUp.
Blender
Для создания трехмерной модели человека или существа может быть использована, как прообраз (в большинстве случаев) Скульптура.
Текстурирование.Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.
Как правило, многофункциональные редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых разработчиков, например Unfold3Dmagic, Deep UV, Unwrella и др.
Освещение. Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. При этом, в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирая свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D графики предоставляют следующие типы источников освещения:
Omni light (Point light) -всенаправленный;
Spotlight - конический (прожектор), источник расходящихся лучей;
Directionallight - источник параллельных лучей;
Arealight (Planelight) - световой портал, излучающий свет из плоскости;
Photometric - источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.
Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному назначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Spherelight) или объемного освещения (Volumelight), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.
Анимация. Одно из главных призваний трехмерной графики - придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:
Autodesk MotionBuilder
PMG Messiah Studio
Рендеринг. На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок - кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга - это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).
Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:
Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10);
Сканлайн (scanline) - он же Raycasting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) - расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);
Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) - то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;
Глобальное освещение (англ. Globalillumination, radiosity) - расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.
Грань между алгоритмами трассировки лучей в настоящее время практически стёрлась. Так, в 3D StudioMax стандартный визуализатор называется Defaultscanlinerenderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing - к прямой.
Наиболее популярными системами рендеринга являются:
PhotoRealisticRenderMan (PRMan)
mental ray
V-Ray
FinalRender
Brazil R/S
BusyRay
Turtle
Maxwell Render
Fryrender
Indigo Renderer
LuxRender
YafaRay
POV-Ray
Вследствие большого объёма однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. Ктакимсистемамотносятся:
Refractive Software Octane Render
AAA studio FurryBall
RandomControl ARION (гибридная)
Vray-RT
iray
МногиепроизводителисистемрендерингадляCPUтакжепланируютввестиподдержкуGPU (LuxRender, YafaRay, mentalimagesiray).
Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.
|
