Файл: Программы для создания и редактирования трехмерных объектов.pdf

Компьютерная графика появилась достаточно давно - уже в 1960-ых годах существовали полноценные графические системы. Сегодня принято пользоваться терминами «компьютерная графика» и «компьютерная анимация». Понятие «компьютерная графика» включает все виды работ со статическими изображениями, «компьютерная анимация» имеет дело с динамически изменяющимися изображениями.

Трехмерная графика является неким симбиозом компьютерной графики и анимации, так как без особого труда можно заставить трехмерный объект двигаться (анимация), а также его можно оставить в статичном положении (графика).

Выбранная мною тема является достаточно актуальной, так как современные технологии (в отличие от тех, что были, например, в 1990-2000х годах) позволяют добиться максимальной детализации настолько, что порой какой-нибудь готовый рендер можно спутать с обычной фотографией. Помимо этого, трехмерная графика на данный момент охватывает очень большой список профессий.

Цель исследования в данной работе – это узнать многообразие программ для создания трехмерной графики.

Задачи исследования в данной работе – это разобраться какие есть различия в той или иной программе.

ГЛАВА 1. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ГРАФИКИ. ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА.

1.1. Назначение компьютерной графики

Как уже писалось ранее, компьютерная графика (в том числе и трехмерная) используется во многих сферах, связанных с художественным оформлением чего-либо. И чтобы дать объяснение термину «различные виды графики» необходимо понять какие программы для чего используются. По своему "профессиональному" назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы:

пакеты компьютерной графики для полиграфии;
программы двумерной компьютерной живописи;
презентационные пакеты;
программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;
программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;
пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;
комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спецэффектов на видеозапись;
программы для научной визуализации.

1.2. Понятие «Трехмерная графика».

Перед тем, как описывать функционал и особенности программ, связанных с трехмерной графикой, необходимо понять, что это вообще такое и с чем это едят. И если с двухмерной (2D) графикой все более-менее понятно, то с трехмерной (3D) графикой идет уже сложнее, так как человеческий глаз видит двухмерное изображение. Мозг достраивает картинку, обрабатывая информацию и скрывая от нас, что это 2D изображение, он создает образы.

Если, например, поставить на стол яблоко и смотреть на него, не двигаясь, то человеческий глаз будет его воспринимать как двухмерное изображение (фотография). Как только человек начнет движение вокруг объекта, то он будет видеть его другие границы и понимать, что перед ним находится трехмерный объект. Но это будет происходить ровно до тех пор, пока он снова не остановится и не будет смотреть на яблоко статично.

То же самое происходит и в 3D программах, пока объект не движется, он является плоским. Но, как уже было описано ранее, мозг «дорисовывает» картинку и изображение выглядит трехмерно.

В качестве примера разницы между 2D изображением и 3D изображением можно привести старые мультипликационные фильмы компании Disney и новые (рис. 1.1). На первой картинке изображение плоское, на второй – объемное (за счет светотени и текстур), однако оно все равно является двухмерным.

Рис. 1.1. Сравнение старого м/ф компании Disney (Белоснежка и семь гномов, 1937 г.) и нового (Ральф против интернета, 2018 г.)

Итак, трехмерная графика – это раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве. Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги.

1.3. Основные функции и возможности 3D программ.

Программы компьютерной графики и анимации представляют профессиональный интерес для художников и дизайнеров, полиграфистов и кинематографистов, разработчиков компьютерных игр и создателей образовательных программ, ученых, а также любых специалистов, которым необходимо создавать, использовать и обрабатывать самые разнообразные изображения, но, в данной работе рассматриваются пакеты программ, разработанные исключительно для создания трехмерной графики (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Трехмерное моделирование.

Для получения трехмерного 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 специальный принтер.

1.4. Трехмерная анимация

Ведя речь про трехмерную графику, на ум, в первую очередь, приходит именно трехмерная анимация, так как именно ее мы видим чаще всего. Человек, не связанный с дизайном или архитектурой, встречает ее обычно в рекламе, мультфильмах, видеоиграх и тд.

Трехмерная анимация по технологии напоминает кукольную (рис. 1.3): создается каркас объектов, на этот каркас накладываются материалы, компонуется все это в единую сцену, устанавливается освещение и камера, а затем задается количество кадров в фильме и движение предметов.

Рис. 1.3. Кукольная анимация в процессе съемки (м/ф Труп Невесты)

Посмотреть происходящее можно с помощью камеры, которая тоже может двигаться. Движение объектов в трехмерном пространстве задается по траекториям, ключевым кадрам и с помощью формул, связывающих движение частей сложных конструкций. Подобрав нужное движение, освещение и материалы, вы запускаете процесс визуализации. В течение некоторого времени компьютер просчитывает все необходимые кадры и выдает вам готовый фильм.

Недостаток, вытекающий из такой техники создания изображения — это чрезмерная гладкость форм и поверхностей (рис. 1.4), а также некоторая механистичность движения объектов.

Рис. 1.4. Кадр из м/ф «История игрушек» (1995, компания Pixar)

1.5. Технология создания реалистичных трехмерных изображений

В отличие от двумерной анимации, где многое может быть нарисовано от руки, в трехмерной объекты слишком гладкие, их форма слишком правильная и движутся они по слишком "геометрическим" траекториям. Правда, эти проблемы преодолимы.

В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов.

Для создания "неровных" объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц (рис. 1.5). Вводится инверсная кинематика и другие техники оживления, возникают новые методы совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными.

Рис. 1.5. Детализация в м/ф «История игрушек 4» (2019, компании Pixar/Disney)

Кроме того, технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать ее в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвертом. И, наконец, функции многих профессиональных пакетов можно сегодня расширить с помощью дополнительных приложений, написанных специально для базового пакета.

ГЛАВА 2. ПРОГРАММЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ 3D ГРАФИКИ.

2.1. 3D Studio и 3D Studio MAX (Autodesk)

Несомненно, один из самых известных пакетов 3D-анимации на IBM — это 3D Studio фирмы Autodesk (рис. 2.1). Программа обеспечивает весь процесс создания трехмерного фильма: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео.

Рис. 2.1. Интерфейс программы 3D Studio Max

Кроме того, существует широкий спектр прикладных программ, написанных специально для 3D Studio. Новая программа той же фирмы под названием 3D Studio MAX для Windows NT создавалась в течение нескольких последних лет и претендует на роль конкурента мощным пакетам для рабочих станций SGI. Интерфейс новой программы един для всех модулей и обладает высокой степенью интерактивности. 3D Studio MAX реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет создавать разнообразные световые эффекты, поддерживает 3D-акселераторы и имеет открытую архитектуру, то есть позволяет третьим фирмам включать в систему дополнительные приложения.

2.2. ZBrush (Pixologic)

ZBrush — программа для 3D моделирования, созданная компанией Pixologic (рис. 2.2.). Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» трёхмерной скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого трёхмерного объекта.

Рис. 2.2. Интерфейс программы ZBrush

Каждая точка (называемая пиксель) содержит информацию не только о своих координатах XY и значениях цвета, но также и глубине Z, ориентации и материале. Это значит, что можно не только «лепить» трёхмерный объект, но и «раскрасить» его, рисуя штрихами с глубиной.

Ещё одним неоспоримым преимуществом программы является то, что рисовать тени и блики, чтобы они выглядели натурально, не нужно — ZBrush это сделает автоматически. Также быстро работает со стандартными 3D объектами, используя кисти для модификации геометрии материалов и текстур. Позволяет добиться интерактивности при большом количестве полигонов.

Используя специальные методы, можно поднять детализацию до десятков миллионов полигонов. Также имеется множество подключаемых модулей (работа с текстурами, геометрией, множество новых кистей, быстрая интеграция с профессиональными пакетами 2d графики и многое другое)

2.3. LightWave 3D (NewTek)

Достаточно популярный пакет для создания трёхмерной графики, широко применяемый в производстве видео-, теле- и кинопродукции. Lightwave (рис. 2.3) содержит мощную систему полигонального моделирования, которая также создает основанные на полигонах поверхности подразделения (polygon-based subdivision), которым фирма Newtek дала имя «MetaNURBS» (несмотря на название, Lightwave не поддерживает NURBS-моделирование, MetaNURBS является торговой маркой, используемой Newtek’ом для своих поверхностей разбиения).

Рис. 2.3. Интерфейс программы LightWave 3D.

Пакет состоит из двух основных программных модулей — modeler для моделирования и layout для всего остального. Третья программа — Hub используется для автоматической синхронизации данных между модулями.

Lightwave содержит развитую систему анимации (кости, фреймовая и инверсная кинематика); высококачественный рендеринг, поддерживающий многопоточность, трассировку лучей, каустику, глобальное освещение, модуль предпросмотра VIPER; подсистему сетевого рендеринга Screamernet. Встроенный механизм для работы с частицами Hyper Voxels позволяет генерировать дым, огонь, любые жидкости, туман, облака, и т. д.Lightwave включает три разновидности редактора сцены: классический, современный и графический.