1.2 Выбор программного обеспечения для 3d моделирования
В настоящее время существует множество программных продуктов для решения задач 3D моделирования, такие как Maya, 3ds max, ZBrush, Blender и другие. Для решения поставленных в курсовой работе задач был выбран пакет программ 3Ds Max. Для обоснования выбора программного обеспечения сравним, к примеру, самые популярные программные продукты 3ds max и Maya.
Рис. 2 Модель, созданная в 3Ds Max
Начнем с того, что 3ds max изначально предназначался в основном для статического моделирования объектов, и лучше всего его будет использовать для создания статичных сцен и 3d моделей для игр. Maya наоборот, целесообразнее использовать для производства анимации, хотя для создания игровых 3d моделей она тоже подходит. Это первый нюанс в сравнении двух 3d редакторов между собой.
Autodesk 3d studio max можно использовать только на компьютере с ОС Windows, а вот в Maya поработать можно и на MacOS, а также Linux. Но выпускается Maya только на английском языке, а 3ds max еще и на французском. Помимо всего прочего, Maya несколько сложнее в обучении, и для того, чтобы начать продуктивно в ней работать, придется чуть дольше изучать ее интерфейс и возможности, а также инструменты.
3ds max обладает более простым и понятным интерфейсом по сравнению с Maya. Это большой плюс в сторону 3d studio, но при помощи Maya можно создавать различные реалистичные спецэффекты за считанные минуты. Кстати говоря, справка по Maya более полна и понятна, правда она на английском языке. Для 3ds max есть справка на русском, но она охватывает только базовые упражнения.
Рис. 3 Модель, созданная в Maya
В общем интеграция своих типов файлов в популярные, например, *.3ds или *.dxf хороша у обеих 3d редакторов. Качество рендеринга достаточно хорошее и там и там, причем такой известный плагин, как Vray для рендеринга можно использовать в обеих программах. Кроме того, 3ds max имеет более развитые и мощные модификаторы, а вот Maya лучше использует различные кривые для моделирования, такие как NURBS.
Подведем итоги: 3Ds Max обладает более простым и понятным интерфейсом на русском языке и предназначен больше для моделирования статичных сцен без анимации, используется на компьютерах под операционной системой Windows, достаточно хорошее качество рендеринга, большие возможности для расширения функций с помощью плагинов. Выбор пакета 3Ds Max обоснован задачей курсовой работы. Задачей является построение статичной сцены с 3d моделью автомобиля в операционной системе Windows 7.
Описание программного пакета 3Ds Max
3d studio max – это профессиональный программный пакет, созданный компанией Autodesk, для полноценной работы с 3d-графикой, содержащий мощный инструментарий не только для непосредственного трехмерного моделирования, но и для создания достаточно качественной анимации. В стандартный пакет входит также подсистема визуализации, позволяющая добиться довольно реалистичных эффектов. Для достижения более фотореалистичных рендеров, вы без труда можете воспользоваться более мощными визуализаторами, разработанными специально для 3d studio max.
3d max позволяет успешно реализовать все этапы создания трехмерной модели даже неопытному пользователю, чему способствует интуитивно понятный, дружественный интерфейс, обширные библиотеки готовых моделей и материалов, а также широкое распространение данного продукта в нашей стране - и как результат, свободный доступ к множеству интересной и полезной информации.
Первая версия пакета была выпущена в 1990 году и носила название 3d studio DOS, которое сохранила за собой вплоть до 1994 года (имелись 4 версии продукта 1990, 1992, 1993 и 1994 года выпуска).
В 1996 году пакет был переписан под операционную систему MS Windows и переименован в 3d studio max - в новой версии были значительно доработаны редактор материалов и инструменты анимации. Разработчики обеспечили гибкую структуру программы за счет использования объектно-ориентированного подхода – с этого момента любая функция могла быть выполнена дополнительно подключаемым модулем, созданным независимыми разработчиками ( заранее уточним, что особо широкое распространение получили подсистемы визуализации, превосходящие стандартные решения 3d studio max в десятки раз). Другими словами, встроенный в 3d studio max язык программирования С++, дал возможность любому желающему написать дополнительный модуль.
Следующий релиз выходит в 1997 году - 3d studio max R2 - и включает более 1000 новых возможностей и усовершенствований (наиболее значимые – реализован метод трассировки лучей – возможность имитации зеркальных и прозрачных поверхностей, добавлены инструменты NURBS моделирования, поддержка OpenGL, maxsсript встроенный язык программирования ).
3d studio max R3 (1999 год) – доработка пользовательского интерфейса, новые возможности работы с распределением частиц, увеличение количества и качества визуальных эффектов, за счет совершенствования метода трассировки лучей.
Discreet 3d studio max 4 - Discreet 3d studio max 7 (2000 - 2004год) – смена разработчиков приводит к изменению в названии продукта. Появление новых инструментов моделирования и анимации, модификаторов, усовершенствование редактора материалов, да и в общем всесторонне развитие продукта.
Autodesk 3d studio max 8 , Autodesk 3d studio max 9 (2005, 2006 год), Autodesk 3d studio max 2008 (2007 год) – большое внимание уделяется разработке специализированных функций, позволяющих реализовать объекты, описываемые достаточно сложными математическими моделями. Одним из таких решений становится плагин для создания волос, возможности текстурирования органических объектов. Продолжают совершенствоваться инструменты работы с анимацией.
Autodesk 3d studio max 2009/Autodesk 3d studio max Design 2009 (2008 год), Autodesk 3d studio max 2010/Autodesk 3d studio max Design 2010 (2009 год) - разделение на версию для архитекторов и дизайнеров и версию для специалистов в области графики – разработка игр и другие проекты сферы развлечений. Заметим, что инструментарий этих версий практически идентичен: отличия можно обнаружить в некоторых настройках интерфейса, а также, в состав пакета для специалистов графики включен набор инструментов для разработчиков - SDK . Кардинальная смена цветовой гаммы интерфейса – первое, что бросается в глаза при работе с Autodesk 3d studio max 2010/Autodesk 3d studio max Design 2010. Усовершенствованы команды для управления отображением объектов. Новые элементы интерфейса – панель доступа к инструментам моделирования. Удобная система всплывающих окон-подсказок. Добавление и совершенствование модификаторов. Совершенствование интеграции файлов с другими приложениями. Набор инструментов для работы со звуком.
Поработав в одной из последних версий 3d studio max, можно почувствовать на себе все прелести трехмерного моделирования и убедиться в том, что 3d studio max является полноценным профессиональным пакетом 3d моделирования с грамотно продуманным интерфейсом и бесчисленным множеством возможностей для реализации ваших творческих идей.
Как уже говорилось, в 3d max имеется обширная библиотека трехмерных объектов - сюда входят как стандартные, так и расширенные примитивы. Построение простых геометрических форм занимает считанные секунды - необходимо лишь выбрать нужную модель и ввести необходимые параметры (такие , как длина, высота, радиус и т.д.)
Имеются инструменты для работы со сплайнами (моделирование на основе сплайнов) - создание и редактирование которых не составит особого труда благодаря дружественному интерфейсу программы. Невероятно удобной покажется вам работа с командами для полигонального моделирования, а также с инструментами для создания поверхностей Безье. Возможность редактирования сетчатых поверхностей на разных уровнях (будь то вершины, сегменты и т.д.) облегчает работу со сложными поверхностями и позволяет добиться максимальной наглядности в их представлении. Большое количество модификаторов с легко настраиваемыми параметрами для работы с геометрией модели помогут воплотить в реальность самые смелые идеи.
В 3d max для создания и настройки свойств материалов служит простой в применении универсальный модуль - редактор материалов. Создание стеклянных или зеркальных поверхностей займет считанные секунды. Сходство с объектами реального мира достигается в процессе визуализации. Есть возможность использовать как встроенный в 3d studio max визуализатор, так и сторонние визуализаторы, созданные независимыми разработчиками (например V-Ray).
От релиза к релизу совершенствуются функциональные возможности программы, позволяющие все с меньшими затратами времени и сил, но с большим качеством, создавать проекты любой сложности. Расширяются стандартные библиотеки. Появление новых специализированных функций моделирования делает работу в 3d max более эффективной (функции полигонального моделирования, операции для создания сложных объектов, точные средства двумерного моделирования, большое количество модификаторов для работы с геометрией модели, широкие возможности творческой работы с текстурами).
Большое внимание уделяется развитию инструментария для создания анимации. Анимация по ключевым кадрам, процедурная анимация, ограниченная анимация – это неполный список всех возможных вариантов заставить объекты двигаться. Имеются возможности управления скелетной деформацией, создания быстрой анимации двуногих существ, управления физическими силами, действующими на персонажей.
Можно с уверенностью сказать, что последние версии программы 3d studio max содержат абсолютно все, необходимые для работы, модификаторы. Это группы модификаторов выбора, сеток, полигонов, оптимизации поверхности и многие другие. А если учесть, что применение каждого модификатора подразумевает установку некоторого числа пользовательских параметров, становится ясно, что работа в 3d studio max сравнима с творчеством и открывает перед пользователем неограниченное число возможностей для реализации его задумок.
3d studio max содержит модули для работы с различными системами частиц, будь то снег, либо брызги. В основу управления их характеристиками и динамикой положены реальные физические законы. Сама же среда 3d studio max позволяет не только моделировать персонажей, но и создавать весьма реалистичные предметы одежды. Причем, кроме создания и дизайна одежды, специальные встроенные модули позволяют анимировать любые объекты одежды, создавая при этом требуемые визуальные эффекты (создание складок и деформаций на сгибах, эффект мокрой или липкой одежды, различные механические повреждения).
Так же программа имеет модификаторы для имитации волосяного и мехового покрова. Возможности создания эффектов стрижки и причесывания, движения в соответствии с заданными параметрами жесткости, влажности и т.д., а каждую сцену при анимации могут сопровождать звуковые эффекты. Причем программа поддерживает различные звуковые форматы.
И, естественно, нельзя не упомянуть о средствах достижения высокого качества получаемого изображения. Сюда можно отнести уже упоминаемый выше метод трассировки лучей, позволяющий создавать реалистичное отражение и преломление света. Возможности создания атмосферных эффектов (туман, огонь), эффекты естественного освещения, возможности передачи фотореалистичного освещения.
Развивающийся еще с 90-ых годов прошлого века пакет трехмерного моделирования 3d max, можно сказать, уже достиг определенной планки совершенства. Его сегодняшняя популярность в процветающей индустрии кино, телевидения и компьютерных игр – лишнее тому подтверждение. Поражающие своим правдоподобием 3d-спецэффекты на экранах телевизора, невообразимо реальная виртуальная реальность трехмерных компьютерных миров, да и многочисленные высококачественные архитектурные и дизайнерские проекты, реализованные при помощи пакета 3d max, прочно вошли в нашу жизни и заняли там отнюдь не последнее место.
Вполне серьезно можно говорить о дальнейших перспективах в развитии и применении трехмерной графики, и как результат, о возрастающих потребностях в грамотных специалистах этой области.
Основы трехмерного моделирования
3D моделирование широко используется в различных сферах деятельности человека. Трехмерное моделирование является разделом компьютерной графики, включающим в себя алгоритмы и программное обеспечение для создания, редактирования и оперирования созданными объектами в трехмерном пространстве.
Области применения трехмерного моделирования:
городское планирование;
промышленность;
компьютерные игры;
архитектура;
реклама;
кинематограф;
телевидение;
моделирование случившихся катастроф;
криминалистика и т.д.
Основным отличием и достоинством трехмерной графики является построение трехмерной сцены с помощью специализированных программ, которая в дальнейшем может быть выбором соответствующей проекции преобразована в двухмерное изображение.
В процессе работы над созданием 3D - модели в общем случае можно выделить четыре этапа (рис. 4).
Рис. 4 Этапы трехмерного моделирования
Первый этап – моделирование (создание геометрии). Это основной этап моделирования, на котором создается геометрия тел без учета их физических свойств. Основными приемами для создания модели являются:
выдавливание;
вращение;
булевы операции.
Рис. 5 Результат выполнения булевых операций
Второй этап – назначение материалов. Реалистичность конечной модели во многом зависит от правильного выбора материалов и используемых в них текстурных карт. Современные средства моделирования имеют неограниченные возможности по созданию фотореалистичной сцены.
Третий этап – установка источников света и точки наблюдения. Работа со светом является одной из самых сложных в 3D-графике. От правильности выбора яркости, тона света, глубины и резкости теней во многом зависит общая реалистичность сцены. Кроме того, от выбора точки наблюдения зависит так называемый «эффект присутствия» - вид с высоты «птичьего полета» или с человеческого роста.
Четвертый этап – визуализация. Этап, завершающий работу с моделью: заключается в настройке параметров отображения модели, например, добавление специальных эффектов, как-то туман, сияние, блики и т.д. Если необходимо создать видеоролик, то это выбор частоты кадров, выбор кодека и т.д. Если конечным результатом является растровое изображение, то сюда можно отнести выбор формата, разрешения выходного файла.
Главным отличием трехмерного объекта от двухмерного является глубина. Можно нарисовать 2D изображение максимально похожим на трехмерное, однако главное неудобство заключается в том, что такое изображение передает объект лишь под одним углом, для того чтобы взглянуть на объект под другим углом необходимо перерисовывать изображение заново. На трехмерное же изображение, в свою очередь, можно взглянуть под разными углами, смоделировав изображение лишь один раз, что является главным преимуществом.
Хотя двух- и трехмерное моделирование кардинально отличаются друг от друга, многие из уже знакомых пользователю двухмерных инструментов для рисования также реализованы и в программах по работе с трехмерной графикой. В них доступны такие инструментальные средства, как ручной карандаш, перо Безье, окружности, дуги, ломаные линии, многоугольники, лассо и другие инструменты, работающие аналогично их двухмерным "коллегам". Инструментарий программ трехмерного моделирования отличается тем, что он применяется не для создания завершенной формы в двухмерной среде, а используется в качестве исходной точки для формирования трехмерного объекта. Наиболее часто используемые трехмерные формы, полученные из двухмерных объектов, – это объекты, созданные с помощью таких операций, как лофтинг, развертка, вращение и выдавливание.
Еще одно сходство между программным обеспечением двухмерного и трехмерного моделирования – это концепция слоев. Трехмерные слои (layers) представляют собой подобие чистого ацетатного листа, на который можно наносить рисунки. Также существует возможность добавления элементов вверху или внизу первоначального слоя, для чего применяются дополнительные слои (или ацетатные листы) с двухмерными изображениями.
Поскольку все слои располагаются отдельно друг от друга, внесенные в один уровень изменения никак не повлияют на остальные. На слой заднего плана можно размещать эталонные изображения и копировать их на передний слой подобно тому, как эскизы копируются на бумагу с помощью стекла и направленного освещения. Одно из основных преимуществ работы со слоями заключается в возможности их "включения" и "выключения" для уменьшения количества элементов на экране. Слой также можно "осветлить" (сделать полупрозрачным) для того, чтобы оставить его видимым, но менее бросающимся в глаза.
Хотя слои в программах трехмерного моделирования несколько отличаются от своих двухмерных собратьев, с их помощью можно скрывать или блокировать некоторые объекты для упрощения дальнейшего выделения и редактирования конкретного объекта.
Как и в двухмерном пространстве, в программах трехмерного моделирования для определения совокупности объектов, которые можно обрабатывать как единое целое, используются группы (groups). Благодаря группированию пользователь получает возможность выбрать взаимосвязанную совокупность объектов, а затем временно объединить их в отдельный модуль. Таким образом упрощается выполнение операций перемещения, масштабирования и прочие способы взаимодействия на все элементы, поскольку не требуется выделять отдельно каждый объект перед выполнением какой-либо операции над группой. В зависимости от ситуации пользователь всегда может добавлять, удалять и переназначать объекты той или иной группы.Все трехмерные объекты состоят из элементарных частей – полигонов. Границы полигонов называются гранями, а точки соединения граней – вершинами. Существует негласное правило, по которому количество граней полигонов должно быть не более четырех. Дело в том, что детализированный объект может состоять из огромного количества полигонов. Программе приходится совершать огромное количество вычислений для построения объекта и при обработке многоугольных полигонов при этом затрачивается намного больше ресурсов компьютера, что плохо сказывается на производительности.